[发明专利]基于落锚-海缆-土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法

说明书

基于落锚‑海缆‑土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，构建落锚‑海缆‑土壤模型，模拟落锚冲击土壤中的海缆；基于海缆的非线性材料属性建立海缆的应力‑应变关系模型；建立土壤的摩尔库伦模型；设置分析步长并启用有限元软件动力显示部分；考虑模型中落锚、海缆、土壤相互作用并设置接触条件；对落锚施加初始速度设置边界条件；构建海底电缆的有限元网格模型，并针对落锚冲击处对土壤区域进行局部逐渐网格细化；将模型导入有限元软件中，并结合设置的条件参数，得到海底电缆的数值分析模型，求解该模型获得撞击处海缆凹陷深度，以及海缆在土壤中的下陷深度。本发明方法能够降低落锚冲击海底电缆仿真误差，提高落锚冲击海底电缆模拟的真实性。

技术领域

本发明涉及海底电缆锚害损伤评估技术领域，具体涉及一种基于落锚-海缆-土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法。

背景技术

随船舶大型化、高速化的快速发展，船舶数量不断增加，致使水域交通密度及危险货物装载量也不断增加。伴随我国航运业的飞速发展，渔业得到迅猛发展，同时随着渔船的频繁作业，作业船只的无序工作，海底电缆管道遭受外力破坏事故时有发生，严重威胁电力输送与信息传递。此外，海缆受到海流冲击，造成海缆管线埋深不足或裸露悬空，增加了海缆锚击破坏事故的概率。落锚冲击海缆造成的外力破坏严重威胁海缆的安全运行。因此必须建立有效防御技术手段，使得海底电缆实时处于受控状态，及时掌握管道信息和状态，针对锚害发生情况有效作出应对处理，减小落锚撞击海缆造成的损伤。

由于落锚冲击海缆损伤实验实现较为困难，进而依靠有限元仿真模拟方法来评估不同情况海缆锚害损伤情况。现有技术中的海底电缆锚害仿真基本构建海缆-落锚两部分为主体的有限元模型，为更合理模拟真实情况，需对土壤条件进行考量，可以通过改变土壤的环境参数、埋设深度等情况进行锚害损伤研究，能够更为全面模拟落锚冲击海缆的损伤情况，进而通过研究结果作出预判。但是该方法仍然基于有限元仿真基础上，相关参数的模拟不一定能完全与真实数据相仿。

发明内容

本发明提供一种基于落锚-海缆-土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，在常规落锚-海缆有限元模拟仿真的基础上结合土壤参数，能改变土壤环境参数来考量海底电缆遭受锚害损伤情况。该方法能够降低落锚冲击海底电缆仿真误差，提高落锚冲击海底电缆模拟的真实性。

本发明采取的技术方案为：

基于落锚-海缆-土壤模型的海底电缆落锚冲击试验方法，包括以下步骤：

步骤一：构建落锚-海缆-土壤模型，模拟落锚冲击土壤中的海缆；

步骤二：基于海缆的非线性材料属性建立海缆的应力-应变关系模型；建立土壤的摩尔库伦模型，将落锚等效为刚体；

步骤三：设置分析步长，并启用有限元软件动力显示部分；

步骤四：考虑模型中落锚、海缆、土壤相互作用，并设置接触条件；

步骤五：对落锚施加初始速度，设置边界条件；

步骤六：构建海底电缆的有限元网格模型，并针对落锚冲击处对土壤区域进行局部逐渐网格细化；

步骤七：将步骤一、步骤二的模型导入有限元软件中，并结合步骤三～步骤五设置的条件参数，得到海底电缆的数值分析模型，求解该模型获得撞击处海缆凹陷深度，以及海缆在土壤中的下陷深度。

所述步骤一中，选取35kV三芯复合海底电缆为研究对象，利用SolidWorks搭建海缆结构模型，并真实模拟三芯导体内顺时针螺旋、以及镀锌钢铠装钢丝外逆时针螺旋；海缆结构复杂，将屏蔽层、阻水带等机械强度较低部分省略，建立三维海底电缆几何模型；再建立土壤和落锚模型；考虑实际工程情况，将海缆嵌入土壤，形成落锚-海缆-土壤模型，模拟落锚冲击土壤中的海缆。

所述步骤一中，确定三芯复合海底电缆具体参数，建立铜导体、绝缘层、铅护套、填充层、光单元、光单元内外钢丝、光单元护套、铠装层、外护套模型，具体过程包括如下步骤：