水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證.pdf

1、通過對臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計及分析的研究成果調(diào)研，不難發(fā)現(xiàn)臍帶纜設(shè)計與制造被少數(shù)幾個公司壟斷，他們具有完善的設(shè)計、加工、測試、安裝及監(jiān)測等全面技術(shù)，并開發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的專用計算軟件以及完備的實驗裝置和方法。臍帶纜分析研究主要集中在結(jié)構(gòu)的拉伸剛度、彎曲剛度及疲勞壽命等的解析分析、有限元分析及實驗研究。國內(nèi)在臍帶纜設(shè)計、分析及實驗等方面的研究還處于起步階段。
　　本文系統(tǒng)開展了深水動態(tài)臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計與驗證研究，提出了基于控制主要失效模式

2、的設(shè)計方法，建立了臍帶纜拉伸性能、彎曲性能以及疲勞性能的預測模型，并搭建了相應的實驗平臺進行驗證;提出了臍帶纜單元排布的可量化方法進行截面的布局設(shè)計。它是國家863計劃“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究”專題（2009AA09Z301）的子課題“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計的軟件開發(fā)與實驗研究”（2009AA09Z301-2）的研究成果的重要組成部分。主要研究內(nèi)容包括：⑴第一章介紹研究背景、研究目的以及意義，然后對臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計分析的國內(nèi)外

3、發(fā)展現(xiàn)狀進行介紹。并對當前臍帶纜結(jié)構(gòu)的理論分析、數(shù)值分析以及實驗方法進展進行了歸納和總結(jié)。⑵第二章介紹臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計的考慮因素，主要的考慮因素是海洋環(huán)境作用包括水深、波浪以及海流荷載。在這些荷載作用下，使得臍帶纜在安裝及在位工況主要受到拉伸荷載、彎曲荷載及疲勞等荷載作用。臍帶纜設(shè)計需要考慮這些荷載作用進行結(jié)構(gòu)設(shè)計。臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計主要是對承力單元的設(shè)計以及單元布局的設(shè)計。本文針對深水動態(tài)臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計，考慮拉伸、彎曲和疲勞三種主要失效模

4、式。⑶第三章介紹臍帶纜拉伸性能的設(shè)計與驗證。拉伸剛度是衡量臍帶纜拉伸性能的重要指標。本章提出準確考慮纜芯徑向收縮的拉伸剛度分析的半解析模型，并搭建原型拉伸實驗系統(tǒng)驗證分析模型的準確性。分別對某動力臍帶纜和某鋼管臍帶纜的拉伸剛度進行分析和實驗驗證。并對影響臍帶纜拉伸剛度設(shè)計的主要參數(shù)纜芯徑向剛度、鎧裝鋼絲的纏繞角度及鋼絲直徑等參數(shù)進行分析研究。⑷第四章介紹臍帶纜彎曲性能的設(shè)計與驗證。彎曲剛度是衡量臍帶纜彎曲性能的重要指標。彎曲剛度理論分析

5、模型無法考慮摩擦的影響，本文建立了考慮單元間摩擦影響的全三維有限元分析模型，該模型能模擬臍帶纜從無滑動、部分滑動到全滑動階段的非線性彎曲行為。在實驗室搭建原型彎曲實驗系統(tǒng)驗證分析模型的準確性。對某鋼管臍帶纜的彎曲剛度進行理論分析、有限元分析以及實驗驗證。對影響臍帶纜彎曲剛度的主要參數(shù)單元間的摩擦系數(shù)、單元的纏繞角度以及護套材料等參數(shù)進行分析。⑸第五章介紹臍帶纜疲勞性能的設(shè)計與驗證。在疲勞壽命預測模型中，充分考慮臍帶纜截面多層次及單元間接

6、觸摩擦的結(jié)構(gòu)特征，在整體荷載分析模型中采用非線性彎曲剛度作為輸入，同時在局部應力分析模型中考慮單元間摩擦應力的非線性。基于以上整體荷載及局部應力分析模型可以得到臍帶纜更準確的疲勞壽命預測。由于疲勞分析的不確定性較多，疲勞壽命分析需要實驗進行驗證?；谄趬勖治鲈恚罱ㄋ狞c純彎曲疲勞實驗檢驗臍帶纜的疲勞性能。對某1500m水深的動態(tài)臍帶纜進行疲勞壽命分析及疲勞實驗。⑹第六章介紹臍帶纜單元布局的優(yōu)化設(shè)計方法。除了考慮臍帶纜規(guī)范提出的單元

7、盡可能對稱性原則，在布局設(shè)計時考慮結(jié)構(gòu)力學性能影響因素。提出一個可量化表達并能定量分析的最優(yōu)布局設(shè)計方法。為保證每層單元的對稱排布，提出旋轉(zhuǎn)對稱及最大對稱軸的數(shù)學表達方法，并編寫可視化界面可進行對稱布局排布?；诿繉訂卧顑?yōu)排布設(shè)計之后，對不同的初始布局方式基于截面有限元模型進行定量分析，分析不同布局方式的截面排布的受力與變形，確定最優(yōu)的截面布局的設(shè)計。對某臍帶纜實例進行布局設(shè)計。⑺第七章為結(jié)論和展望。本文主要研究內(nèi)容如圖1.19所示。