[发明专利]一种脐带缆填充结构优化方法

说明书

本发明公开了一种脐带缆填充结构优化方法，包括：根据脐带缆的填充形状建立脐带缆的几何模型，设置填充各边承受的压力阈值、模拟填充构件的受力特征、同时对各端点进行固定约束、限制模型平面内的平动和转动；采用变密度法对填充结构进行拓扑优化，以每个单元的密度为拓扑设计变量，采用静态柔度最小化作为目标函数，约束函数选择体积分数上限，设置上限初始值后进行优化迭代计算，根据计算结果对体积分数上限值进行调整，依据调整后的数值重新计算得出优化结构；对优化结构进行曲线拟合：根据构件受力特征去除外部边界上受载较小的尖角以及间断部分、并将结构内部的锯齿形边界拟合平滑。

技术领域

本发明涉及脐带缆技术领域，尤其涉及一种脐带缆填充结构优化方法。

背景技术

脐带缆在海洋工程中的应用有近50年的发展历史，已成功地从浅水扩展到了深水和超深水领域应用。脐带缆连接于上部浮体设施与水下生产系统之间，是深海油气开采的关键设备之一。主要由钢管、光缆、电缆、填充结构和铠装钢丝组成，为水下生产系统提供电力、液压动力及控制信号等，因此脐带缆也被称作水下生产系统的“神经线”。

脐带缆截面各功能构件间存在较大空隙，在安装敷设和在位运行过程中，海底水压以及缆本身自重引起的拉力会对脐带缆内核产生径向挤压作用。填充结构用于支撑截面内各功能构件，填补空隙，有效地避免功能构件受到较大的挤压力，降低了各构件间摩擦；同时填充使截面结构更加密实，一定程度上提高了缆体截面径向刚度，增强脐带缆的拉伸刚度和抗拉性能。此外，填充充分的脐带缆结构能够增加缆体重量，确保结构稳定性。可见填充构件是脐带缆结构的重要组成部分之一。

脐带缆填充方式如图1所示，可分为无填充、填充棒和密实填充三大类。在以往的工程实际中，有时为了方便而采用无填充或填充棒形式，但填充的密实程度对于对脐带缆的截面力学性能和疲劳寿命有很大影响。填充越密实，构件力学性能利用率越高，抗疲劳性能越好以及截面刚度越大，越能提高脐带缆整体力学性能，保证其在安装敷设、运输和在位运行工况中不受破坏。随着水下装备技术的不断发展，脐带缆的应用水深愈来愈深，对脐带缆的整体力学性能要求越来越高，但密实填充的成本和重量也会相应的增加，这就使得填充结构的优化设计成为迫切需求。目前填充结构的设计往往依据工程经验或者直接密实填充，这样并不能够达到轻质减重及保障脐带缆力学性能的要求，因此如何在不降低力学性能的前提下合理地设计填充结构的材料布局实现减重是脐带缆填充结构设计中的一个重要的问题。

发明内容

根据现有技术存在的问题，本发明公开了一种脐带缆填充结构优化方法，具体包括如下步骤：

根据脐带缆的异型填充结构形式(其中包括三边界、四边界等)建立脐带缆的几何模型，对该几何模型进行网格划分以及设置相应的材料属性；

设置填充各边承受的压力阈值、模拟填充构件的受力特征、同时对各端点进行固定约束、限制模型平面内的平动和转动；

采用变密度法对填充结构进行拓扑优化，以每个单元的密度为拓扑设计变量，采用静态柔度最小化作为目标函数，约束函数选择体积分数上限，设置上限初始值后进行优化迭代计算，根据计算结果对体积分数上限值进行调整，依据调整后的数值重新计算得出优化结构；

对优化结构进行曲线拟合：根据构件受力特征去除外部边界上受载较小的尖角以及间断部分、并将结构内部的锯齿形边界拟合平滑。

进一步的，优化以及曲线拟合后的脐带缆填充结构具有平滑的曲线边界、结构内部具有通孔；

当填充结构为三边界A型结构时：结构内部具有一个四边形通孔，原结构的三处尖角被圆弧形曲线所取代，受载荷较小的顶部其圆弧形曲线的曲率半径比左右两侧大；

当填充结构为三边界B型结构时：结构内部具有一个三边形通孔，原结构的三处尖角被圆弧形曲线所取代，各圆弧形曲线的曲率半径相等；