專利名稱：復合海纜應力場建模計算分析方法
技術領域：
本發明涉及光電復合海纜分布式實時監控測量技木，特別涉及一種復合海纜應カ場建模計算分析方法。
背景技術：
光電復合海纜在運行過程中敷埋在海底，船錨、漁具拖網等外力都可能造成海纜的破壞，因此需要對光電復合海纜的光纖應變進行監測，從而實現對外力引起的海纜應變初期進行監測告警。目前我們一般利用布里淵光時域分析儀(簡稱BOTDA分析儀)來獲取光電復合海纜的光纖頻譜偏移，但是并不知道引起頻譜偏移的外因是海纜的局部發熱還是受外力作用。而且現實條件不允許我們通過實驗來獲取海纜內部光纖的應變數據，又缺乏將海底電纜局部發熱和外力作用引起的頻譜偏移進行區分的方法，因此，往往難以查明故障原因。
發明內容
本發明的目的是提供一種復合海纜應カ場建模計算分析方法，具體通過ー種利用有限元法對光電復合海纜進行應カ場建模計算，來建立光電復合海纜中的光纖應力、應變與海纜實際距離對應的數據關系的方法，從而得出外力作用下光纖中的頻譜偏移規律，進而將其與海纜局部受熱的外因進行區分。為了達到上述目的，本發明的技術方案是提供一種復合海纜應カ場建模計算分析方法，是基于有限元法對建立復合海纜受外力作用下的應カ場模型，以模擬海纜中光纖的應變情況的方法；該方法包含以下步驟
步驟1，根據復合海纜的物理結構尺寸圖，繪制海纜的ニ維平面 步驟2，查找海纜中各個零部件對應的材料參數供建模查找使用；
步驟3，根據步驟I所述的ニ維平面圖，建立海纜中各個零件分別對應的模型；
步驟4，根據步驟2中獲取的材料參數，為每個零部件的模型賦予相應的材料屬性；步驟5，將所有零部件的模型在進行組裝，來建立包含這些零部件的一根海纜的模型；步驟6，設定后續模型分析處理中所需的相關變量；所述變量包含初始分析步長和分析步數量，以及包含應力、弾性應變和位移的場變量輸出；
步驟7，建立海纜模型中裝配好的各個零部件之間相互的綁定約束關系；
步驟8，定義海纜兩端的固支邊界條件，定義受力面，并施加相應的載荷；
步驟9，對海纜中每個零部件劃分網格；至此，完成對海纜模型的前處理；
步驟10，進入后處理，獲取海纜模型在不同載荷、邊界條件下，海纜內光纖的應力、應變與海纜實際距離的對應關系數據，根據這些關系數據計算得到外力作用下光纖中的頻譜偏移規律，從而對海纜由外力作用和局部發熱造成的頻譜偏移進行區分。該方法的步驟2中所述材料參數包含海纜中各個零部件的彈性模量、密度和比熱容。
該方法的步驟6中進ー步包含根據后續對模型分析計算中所需的收斂效果，來調整初始分析步長及分析歩數量的變量大小的過程。該方法的步驟9中還包含根據后續對模型分析計算中所需的收斂效果，將海纜中若干個零部件進行合并后再進行網格劃分的過程，以及根據后續對模型分析計算中所需的收斂效果，調整網格劃分時使用的網格大小、單元類型和劃分算法的過程。該方法的步驟10中進ー步包含根據海纜模型在不同載荷及邊界條件下受到的應カ應變，繪制海纜受カ集中處及海纜整體的云紋圖并進行分析的過程，以及繪制海纜內光纖的軸向應變圖，以分析海纜內光纖應カ應變與海纜實際距離的對應關系的過程。現有的條件下只允許通過BOTDA分析儀監測海纜內部光纖的實時溫變，而根據測到的異常溫變往往難以判斷引起異常的原因。與之相比，本發明所述復合海纜應カ場建模計算分析方法，通過有限元法來建立海纜的三維模型，施加類似船錨拉カ的載荷來進行模擬，通過計算分析得出海纜內光纖的光纖應變規律，提取相應數據來生成海纜內光纖的應力、應變與海纜實際距離之間的對應關系表，從而得出外力作用下光纖中的頻譜偏移規律， 從而區分外力作用和局部發熱對光纖造成的頻譜偏移，實現對海纜的初期檢測告警以及時防止故障惡化。比起通過實驗的方法獲得的應變數據，本發明能夠節省大量的財カ物力，有效協助監測并判斷海纜的故障原因。
圖I是通過本發明所述復合海纜應カ場建模計算分析方法繪制的海纜ニ維平面 圖2是通過本發明所述建模計算分析方法繪制的海纜模型的側面 圖3是通過本發明所述建模計算分析方法給出的海纜受カ集中處的云紋 圖4是通過本發明所述建模計算分析方法給出的模型受カ后整體的云紋 圖5是通過本發明所述建模計算分析方法給出的海纜內光纖軸向應變圖。
具體實施例方式本發明所述復合海纜應カ場建模計算分析方法，利用有限元法對光電復合海纜進行應カ場建模，通過計算求解獲取不同載荷、邊界條件下的光纖應力、應變和海纜實際距離的對應關系表，得出外力作用下光纖中的頻譜偏移規律，從而區分外力作用和局部發熱造成的頻譜偏移。以下用基于ABAQUS有限元建模軟件的ー個具體應用實例，來說明本發明所述建模計算分析方法的主要步驟
步驟I，根據復合海纜的物理結構尺寸圖，利用ABAQUS功能模塊中的Sketch功能模塊，來繪制如圖I所示的海纜ニ維平面圖。步驟2，查找海纜各個零件對應的材料參數，包括彈性模量、密度和比熱容，制成Excel表供建模查找使用。步驟3，建立海纜的各個零件分別對應的模型部件。S卩，根據圖I所示的海纜ニ維平面圖，在ABAQUS的part功能模塊中建立海纜中共計116個的模型部件。步驟4，使用ABAQUS的Property功能模塊，創建材料和截面屬性，將每個零部件都賦予相應的材料屬性，正式建成海纜的各個零部件。步驟5,使用ABAQUS的Assembly功能模塊,將上述所生成的116個零部件組裝成一根海纜，由此建立海纜的模型，圖2所示具體是此時海纜模型的側面圖。在步驟2創建或導入部件時，整個過程都是在局部坐標系下進行的，而對于由多個部件構成的物體，必須通過步驟5完成各部件實體的定位，S卩，將其在統ー的整體坐標系中進行裝配，使之成為ー個整體的模型。步驟6,切換至ABAQUS的Step模塊,建立分析步,為后面的分析計算設計初始分析步長和分析歩數量。這兩個變量一般根據經驗設置，應當注意在設計時對這兩個變量的大小進行控制，以保證后續模型的分析計算中的收斂效果。另外，還需要設置場變量輸出，本發明中具體涉及的變量有應カ、弾性應變和位移。步驟7，使用ABAQUS的Interaction模塊，建立各個部件兩兩之間的綁定約束。通過綁定約束，將各個部件聯系在一起，以形成一個完整的模型。在該步驟7中，主要用來定義已經裝配好的各部件之間的相互作用、約束和連接器，包括接觸、熱傳導、入射波、聲阻、
傳動/傳感等。步驟8，使用ABAQUS的Load模塊，定義海纜兩端的固支邊界條件，定義受力面，并施加相應的載荷(這里我們大致輸入20000N-70000N的載荷來模擬船錨拉力，大小方向不定)。步驟9，使用ABAQUS的Mesh模塊，對每一部件劃分網格。一般需要通過多次嘗試，調整網格大小、單元類型和劃分網格的算法，來獲取最好的收斂效果。另外，由于模型中大量尖點的存在，導致模型的分析計算很難收斂，所以我們還可以將其中某些部件合并后再進行網格劃分。到這一歩，已經完成了模型的前處理。步驟10，進入后處理，得到海纜模型中各種相應的圖表和數據。具體可以使用ABAQUS的Job功能模塊實現。例如，可以給出如圖3所示的海纜受カ集中處的云紋圖進行分析，或者，為了更好地展示建模效果，還可以進ー步給出如圖4所示的海纜模型受カ后整體的云紋圖。具體的，圖3指的是200米長的海纜模型在受到20000N的力作用發生了一定形變后模型受カ面附近的Mises主應カ分布。所述Mises應カ是描述三維應カ狀態的屈服條件，對于三維空間應カ而言，并不是說當某一分量達到一定程度材料就進入塑性，跟能量有關，于是發現了mises等效應力。云紋圖就是在模型上用顔色來顯示分析變量，不同的顏色代表應カ大小的不同。圖4與圖3類似，只是為演示模型受カ后的整體變形效果，給出了 2米的模型圖。我們還可以給出如圖5所示的纜內光纖的軸向應變圖，S卩，具體通過對ー個200m海纜模型受カ后的軸向應變ー實際距離的XY圖,來看出海纜應カ應變與實際距離所對應的關系。其中，X軸為200m海纜實際距離，每隔0. 025m取一點，共8000個點，X軸上在0 200之間以每50個數據點的間隔位置作出標示；Y軸是所選取的路徑8000個點上與上述數據點對應的軸向應變數據。上述即是為建立海纜在某一載荷下的模型的大致過程，可以設定不同的載荷來分析該海纜模型的應カ應變與實際距離的對應關系數據。則通過后續的分析處理能夠得出海纜內光纖的變形情況，并提取海纜實際距離對應下的應カ應變數據，生成表格，從而研究外力作用下光纖中的頻譜偏移規律，從而區分外力作用和局部發熱造成的頻譜偏移，以協助監測系統判斷故障原因。需要說明的是，上述例舉的方法中使用了 ABAQUS有限元建模軟件，而本發明的上述各項步驟還可以通過其他的一個或多個基于有限元法的軟件及其配合設置的硬件設備，來實現對海纜建模及對海纜內光纖變形情況分析等后續處理，不再具體描述。 盡管本發明的內容已經通過上述優選實施例作了詳細介紹，但應當認識到上述的描述不應被認為是對本發明的限制。在本領域技術人員閱讀了上述內容后，對于本發明的多種修改和替代都將是顯而易見的。因此，本發明的保護范圍應由所附的權利要求來限定。
權利要求
1.一種復合海纜應カ場建模計算分析方法，其特征在于，所述方法是基于有限元法對建立復合海纜受外力作用下的應カ場模型，以模擬海纜中光纖的應變情況的方法；該方法包含以下步驟 步驟1，根據復合海纜的物理結構尺寸圖，繪制海纜的ニ維平面圖； 步驟2，查找海纜中各個零部件對應的材料參數供建模查找使用； 步驟3，根據步驟I所述的ニ維平面圖，建立海纜中各個零件分別對應的模型； 步驟4，根據步驟2中獲取的材料參數，為每個零部件的模型賦予相應的材料屬性；步驟5，將所有零部件的模型進行組裝，來建立包含這些零部件的一根海纜的模型；步驟6，設定后續模型分析處理中所需的相關變量；所述變量包含初始分析步長和分析步數量，以及包含應力、弾性應變和位移的場變量輸出； 步驟7，建立海纜模型中裝配好的各個零部件之間相互的綁定約束關系； 步驟8，定義海纜兩端的固支邊界條件，定義受力面，并施加相應的載荷； 步驟9，對海纜中每個零部件劃分網格；至此，完成對海纜模型的前處理； 步驟10，進入后處理，獲取海纜模型在不同載荷、邊界條件下，海纜內光纖的應力、應變與海纜實際距離的對應關系數據，根據這些關系數據計算得到外力作用下光纖中的頻譜偏移規律，從而對海纜由外力作用和局部發熱造成的頻譜偏移進行區分。
2.如權利要求I所述復合海纜應カ場建模計算分析方法，其特征在干， 步驟2中所述材料參數包含海纜中各個零部件的彈性模量、密度和比熱容。
3.如權利要求I所述復合海纜應カ場建模計算分析方法，其特征在干， 步驟6中進ー步包含根據后續對模型分析計算中所需的收斂效果，來調整初始分析步長及分析步數量的變量大小的過程。
4.如權利要求I所述復合海纜應カ場建模計算分析方法，其特征在干， 步驟9中還包含根據后續對模型分析計算中所需的收斂效果，將海纜中若干個零部件進行合并后再進行網格劃分的過程。
5.如權利要求4所述復合海纜應カ場建模計算分析方法，其特征在干， 步驟9中進ー步包含根據后續對模型分析計算中所需的收斂效果，調整網格劃分時使用的網格大小、單元類型和劃分算法的過程。
6.如權利要求r5中任意一項所述的復合海纜應カ場建模計算分析方法，其特征在于， 步驟10中進ー步包含根據海纜模型在不同載荷及邊界條件下受到的應力，繪制海纜受カ集中處及海纜整體的云紋圖并進行分析的過程。
7.如權利要求6所述復合海纜應カ場建模計算分析方法，其特征在干， 步驟10中還包含根據海纜模型在不同載荷及邊界條件下受到的應カ應變，繪制海纜內光纖的軸向應變圖，以分析海纜內光纖應カ應變與海纜實際距離的對應關系的過程。
全文摘要
本發明涉及一種復合海纜應力場建模計算分析方法，基于有限元法對建立復合海纜受外力作用下的應力場模型，獲取模型在不同載荷、邊界條件下，海纜內光纖的應力、應變與海纜實際距離的對應關系數據，以此得到外力作用下光纖中的頻譜偏移規律，從而對海纜由外力作用和局部發熱造成的頻譜偏移進行區分，從而實現對海纜故障的初期檢測告警，以及時防止故障惡化，相比通過實驗的方法獲得的應變數據，本發明能夠節省大量的財力物力。
文檔編號G06F19/00GK102831290SQ20121021788
公開日2012年12月19日 申請日期2012年6月28日 優先權日2012年6月28日
發明者周蓉蓉, 安博文, 周靈, 劉頻頻 申請人:上海海事大學