考慮溫度場(chǎng)效應(yīng)的臍帶纜截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與優(yōu)化.pdf

1、隨著海洋油氣開采深度的不斷增加，對(duì)水下生產(chǎn)系統(tǒng)裝備的要求也更加嚴(yán)格，臍帶纜作為海洋油氣開采系統(tǒng)中不可或缺的裝備之一，其為用來連接上部浮體與下部生產(chǎn)系統(tǒng)的纜線，為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供電能、控制信號(hào)以及液壓和化學(xué)藥劑。臍帶纜是由光、電以及鋼管等單元螺旋纏繞所構(gòu)成的非粘接的復(fù)合結(jié)構(gòu)形式。臍帶纜在安裝、儲(chǔ)運(yùn)以及在位運(yùn)行的過程中受到功能荷載與環(huán)境荷載的作用，使得臍帶纜內(nèi)部各單元之間產(chǎn)生接觸、摩擦和擠壓等復(fù)雜的非線性問題。并且臍帶纜在電能傳輸?shù)倪^程中會(huì)

2、產(chǎn)生大量的熱量，使臍帶纜內(nèi)部的溫度升高，影響到材料的力學(xué)性能，進(jìn)一步影響到整個(gè)纜體的力學(xué)性能。因此，臍帶纜在位運(yùn)行時(shí)受到復(fù)雜的海況以及自身物理場(chǎng)的耦合作用，在多學(xué)科荷載的作用下使得對(duì)臍帶纜的整體性能的設(shè)計(jì)與分析變的非常困難。由于我國深海油氣的開采起步較晚，目前海洋油氣開采裝備的研發(fā)與生產(chǎn)正處于起步的階段，尚不具備獨(dú)立設(shè)計(jì)與生產(chǎn)臍帶纜的能力。我國臍帶纜應(yīng)用來源主要依賴于進(jìn)口，同時(shí)國外廠商實(shí)施臍帶纜生產(chǎn)技術(shù)的壟斷與封鎖，從而對(duì)我國海洋油氣的

3、開采起到了嚴(yán)重的限制與約束作用。
　　首先，本文針對(duì)國內(nèi)外鋼管臍帶纜的設(shè)計(jì)與分析方法展開了系統(tǒng)的調(diào)研和總結(jié)，初步掌握臍帶纜在功能荷載下的失效模式，并依據(jù)相應(yīng)的失效模式提出了關(guān)鍵受力構(gòu)件如鎧裝鋼絲、填充和液壓管道的設(shè)計(jì)與分析方法。同時(shí)針對(duì)現(xiàn)有理論分析方法的不足，提出了半數(shù)值分析方法更精確地求解臍帶纜拉彎能力曲線。其次，考慮到工作中電纜所釋放熱量會(huì)對(duì)截面材料以及力學(xué)性能產(chǎn)生影響，文中利用解析分析和數(shù)值模型分別分析了溫度對(duì)截面力學(xué)性能的

4、影響以及一定傳輸功率下截面溫度分布的特征。同時(shí)通過引入耦合分析方法對(duì)臍帶纜截面徑向力學(xué)性能進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)溫度對(duì)截面徑向剛度的影響高達(dá)83.1％。最后，基于臍帶纜規(guī)范中的截面設(shè)計(jì)對(duì)稱性與緊湊性準(zhǔn)則，提出相應(yīng)量化指標(biāo)并給出理論設(shè)計(jì)方法，同時(shí)，針對(duì)臍帶纜在位運(yùn)行時(shí)所涉及到多學(xué)科荷載進(jìn)行研究，應(yīng)用理論與數(shù)值結(jié)合的分析方法對(duì)其進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，提出簡(jiǎn)化的溫度場(chǎng)優(yōu)化方法。然后建立力學(xué)性能與熱場(chǎng)分析的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)框架，編制相應(yīng)優(yōu)化程序求得多目標(biāo)最優(yōu)