动态海缆机械性能有限元分析

张玉勇 潘盼 郭江艳 张建民

摘要：为探究动态海缆在剧烈交变环境载荷下的疲劳寿命，基于环境载荷响应，开展动态海缆系统的整体分析。基于有限元方法，研究海水中悬浮的动态海缆在服役过程中承受的极端载荷，分析破断力和侧压力工况，提取关键部位的应力、应变分布并进行校核。研究结果可为动态海缆材料选型、结构优化以及疲劳分析和测试提供理论依据。

关键词：动态海缆； 整体分析； 局部分析； 疲劳寿命； 显式算法； 有限元

中图分类号：TB115.1； TN913.33

文献标志码：B

文章编号：1006-0871（2018）01-0042-06

Abstract： To explore the fatigue life of dynamic submarine cable under acute alternating environment load， the global analysis on dynamic cable system is carried out based on environment load response. Based on finite element method， the extreme load of the dynamic submarine cable suspended in sea during the service process is studied， the breaking force and side pressure condition are analyzed， and the stress distribution and strain distribution are extracted and checked. The study results can provide a theoretical basis for dynamic submarine cable study， such as the material selection， structural optimization， and fatigue analysis and testing.

Key words： dynamic submarine cable； global analysis； local analysis； fatigue life； explicit algorithm； finite element

0 引 言

海洋资源开发促进波浪能、潮汐能和深远海油气资源的技术革新。动态海缆承受海洋环境和发电浮体运动载荷反复作用，是整个电力传输系统的重要组成部分。随着深远海油气资源的进一步开发，不论是被动锚系结构，还是主动定位浮式采油平台[1]，其脐带缆和电缆的柔性立管结构都受海洋环境载荷的影响很大，为安全生产带来巨大挑战。

动态海缆为浮式平台供应电缆和传输通信信号，通常在浮式平台与海底固定装置之间进行对接。借助浮力设备，动态海缆在水中呈现一定的线型，满足浮体大范围偏移并缓解动态缆自身载荷。[2-3]动态海缆通常悬挂在平台底部，部分暴露在空气中，在服役期间承受复杂的载荷。浮式平台、锚系系统和动态海缆构成复杂的非线性动态耦合系统。[4]为设计安全可靠、满足25 a使用要求的动态海底电缆，进行动态海缆系统整体分析，提取动态海缆关键部位载荷，进行局部应力分析和疲劳寿命验证，优化动态海缆结构[5-6]，为疲劳测试提供理论依据。……