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        利用光纖應(yīng)變判斷光電復(fù)合海纜錨害程度的有限元分析法

        2014-11-25 09:30:12呂安強(qiáng)李永倩
        電工技術(shù)學(xué)報(bào) 2014年11期
        關(guān)鍵詞:鎧裝海纜光纖

        呂安強(qiáng) 李永倩 李 靜 張 旭

        (1.華北電力大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院 保定 071003 2.華北電力大學(xué)信息與網(wǎng)絡(luò)管理中心 保定 071003)

        1 引言

        我國(guó)擁有3.2 萬(wàn)公里的海岸線和分布在沿海的6 500 多個(gè)大小島嶼,海底電纜應(yīng)用廣泛,進(jìn)行海底電纜的日常維護(hù)尤其是故障的早期發(fā)現(xiàn)與維修具有重要意義。近年來(lái),船錨等漁具造成海纜損傷的機(jī)械事故頻發(fā),占海纜機(jī)械故障的80%以上[1]。嚴(yán)重錨害事故可導(dǎo)致斷路、短路或接地故障,一般能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn);而輕度損傷不能立即顯現(xiàn),極具隱蔽性,往往會(huì)隨著時(shí)間的推移演變成滲水漏電、接地等故障,造成嚴(yán)重后果[2-4]。因此,對(duì)海纜進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)并判斷錨害程度勢(shì)在必行。目前的電纜電氣故障監(jiān)測(cè)與分析方法較多[5-7],但對(duì)海纜錨害程度的監(jiān)測(cè)與分析未見(jiàn)報(bào)道。國(guó)內(nèi)有學(xué)者提出基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)海纜所受外力和內(nèi)部溫度變化的方法,可初步實(shí)現(xiàn)海纜的溫度和應(yīng)變監(jiān)測(cè)[8-10],為利用光纖應(yīng)變判斷海纜錨害程度奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

        利用光纖應(yīng)變判斷海纜錨害程度,需要分析錨害過(guò)程中光纖應(yīng)變的變化規(guī)律,使用有限元法能夠模擬海纜錨害過(guò)程,獲得光纖應(yīng)變與海纜機(jī)械損傷程度之間的關(guān)系。目前已有學(xué)者對(duì)海底光纜進(jìn)行了有限元仿真的探索。林開(kāi)泉等人使用有限元仿真方法對(duì)海底光纜結(jié)構(gòu)與抗錨害水平的關(guān)系進(jìn)行了研究,為其結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了參考[11];張雁龍等人通過(guò)有限元法仿真了海底光纜在錨害過(guò)程中的變形情況,但研究未涉及海底光纜損傷程度與光纖應(yīng)變之間的聯(lián)系[12,13];陸瑩等人針對(duì)分布式光纖傳感器在線監(jiān)測(cè)高壓海底電纜運(yùn)行狀況的方法,利用有限元軟件建立了交聯(lián)聚乙烯(Cross Linked PolyEthylene,XLPE)高壓海底電纜模型,仿真分析海底電纜受外力損壞時(shí)內(nèi)部物理量的變化[14],證明了利用分布式光纖傳感技術(shù)監(jiān)測(cè)海纜故障的可行性。

        本文利用有限元分析法建立了110kV 光電復(fù)合海纜的有限元模型,詳細(xì)敘述了影響建模仿真精度和計(jì)算時(shí)間的關(guān)鍵要素處理方法,對(duì)海纜錨害過(guò)程進(jìn)行了仿真和分析,獲得了光纖和鎧裝的應(yīng)力、應(yīng)變數(shù)據(jù);建立了光纖應(yīng)變和鎧裝應(yīng)力的時(shí)間函數(shù);對(duì)錨害程度進(jìn)行了分級(jí),并給出了相應(yīng)的光纖應(yīng)變閾值,為利用分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行海纜錨害監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和錨害程度判斷提供了理論參考。

        2 海纜錨害問(wèn)題的有限元建模

        2.1 海纜幾何模型建立

        福建省某海峽內(nèi)敷設(shè)有YJQ41 型110kV 單芯XLPE 光電復(fù)合海纜,擬利用分布式光纖應(yīng)變傳感設(shè)備進(jìn)行海纜應(yīng)變測(cè)量。目前的分布式光纖傳感技術(shù)能夠測(cè)量的物理量有溫度、應(yīng)變和振動(dòng),其中,ROTDR、OFDR 可實(shí)現(xiàn)分布式溫度測(cè)量,BOTDR、BOTDA、COTDR 可實(shí)現(xiàn)分布式溫度和應(yīng)變測(cè)量;POTDR、干涉式光纖傳感器可實(shí)現(xiàn)分布式振動(dòng)測(cè)量。能測(cè)量應(yīng)變的三種設(shè)備價(jià)格都比較高,BOTDR是高性價(jià)比的選擇,其傳感通道不需閉環(huán),即使監(jiān)測(cè)過(guò)程中光纖出現(xiàn)斷點(diǎn),斷點(diǎn)前的光路仍能正常測(cè)量。本文依托該海纜監(jiān)測(cè)項(xiàng)目,對(duì)海纜錨害程度進(jìn)行研究。海纜結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

        圖1 海纜剖面圖Fig.1 Cross section of submarine cable

        海纜結(jié)構(gòu)的真實(shí)建模對(duì)錨害仿真結(jié)果的正確性起決定作用,但海纜結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性往往導(dǎo)致仿真時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。為了兼顧以上兩點(diǎn),應(yīng)在保證力學(xué)結(jié)構(gòu)真實(shí)性的前提下,盡量簡(jiǎn)化海纜有限元模型,以縮短仿真計(jì)算時(shí)間。海纜結(jié)構(gòu)中,導(dǎo)體屏蔽、絕緣屏蔽、阻水帶和瀝青防腐層的厚度均不足海纜直徑的1%,且非剛性材料,在碰撞過(guò)程中起到的保護(hù)作用小,故對(duì)其做省略處理。簡(jiǎn)化前后的海纜各層尺寸對(duì)比見(jiàn)下表。

        表 海纜幾何尺寸參數(shù)Tab. Geometry parameters of submarine cable

        錨害過(guò)程中,鎧裝層和滌綸樹(shù)脂(Poly Ethylene Tereph-thalate,PET)填充條起主要保護(hù)作用,它們以一定的節(jié)距絞合在高比密度聚乙烯(High-Density Poly Ethylene,HDPE)護(hù)套外面,呈復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu),不是規(guī)則的幾何體,建模復(fù)雜。本文提出掃略螺旋線生成體的思路[15],通過(guò)點(diǎn)、線、面、體的步驟生成絞合鋼絲、光單元和PET 填充條,組成鎧裝層和PET 填充層。船錨的質(zhì)量和錨纜接觸面積對(duì)錨害程度有影響,又因?yàn)榇^質(zhì)地堅(jiān)硬,錨害時(shí)不會(huì)發(fā)生形變,為減少計(jì)算時(shí)間,將船錨簡(jiǎn)化為梯形體。

        2.2 海纜有限元模型設(shè)置

        有限元模型參數(shù)的設(shè)置決定了仿真的準(zhǔn)確性和計(jì)算時(shí)間。有限元仿真中的積分運(yùn)算占據(jù)了大量的計(jì)算時(shí)間,其中單點(diǎn)積分的計(jì)算效率是全積分的8倍。因?yàn)楹@|內(nèi)銅導(dǎo)體、XLPE 絕緣、鉛合金護(hù)套、HDPE 護(hù)套、黃銅帶、光單元、PET 填充條、鋼絲鎧裝層和船錨都屬于三維實(shí)體,所以本文對(duì)以上實(shí)體選用支持所有非線性特性和單點(diǎn)積分的8 節(jié)點(diǎn)三維實(shí)體單元SOLID164,以兼顧仿真準(zhǔn)確性和計(jì)算速度。海纜的繩被層和外被層厚度小,本文選用SHELL163 薄殼單元,以減少由于使用單點(diǎn)積分而產(chǎn)生的沙漏能。

        海纜結(jié)構(gòu)中的銅導(dǎo)體、鉛合金護(hù)套、黃銅帶和鎧裝層由于存在材料非線性問(wèn)題,使用 ANSYS/LS-DYNA 中提供的雙線性隨動(dòng)強(qiáng)化(BKIN)材料模型,使用彈性斜率和塑性斜率兩個(gè)直線段模擬彈塑性材料的本構(gòu)方程。海纜的其他部分使用計(jì)算速度快的線彈性材料模型,其應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系滿足胡克定律。此外,船錨使用剛體材料模型,其在接觸和受力過(guò)程中不會(huì)產(chǎn)生變形,可提高計(jì)算速度30%左右。

        本文依據(jù)拓?fù)湔_性、幾何保持、特性一致、單元性狀優(yōu)良等原則進(jìn)行網(wǎng)格劃分[16]。通過(guò)控制模型的輪廓線和輪廓面調(diào)整網(wǎng)格數(shù)量,兼顧計(jì)算的準(zhǔn)確性和經(jīng)濟(jì)性,最終生成的有限元模型單元數(shù)約9萬(wàn)個(gè),是通過(guò)軟件自動(dòng)生成單元數(shù)的11%,在保證準(zhǔn)確仿真的前提下大大提高了計(jì)算效率,網(wǎng)格劃分效果如圖2 所示。

        圖2 有限元網(wǎng)格劃分效果Fig.2 Effect of finite element meshing

        2.3 接觸定義與載荷施加

        船錨對(duì)海纜的主要損傷方式為撞擊和鉤掛,撞擊時(shí),海纜受力由上至下,經(jīng)過(guò)接觸、拖動(dòng)和擠壓過(guò)程,受力時(shí)間較短;鉤掛時(shí),海纜受力由下至上,同樣經(jīng)過(guò)以上過(guò)程,但受力時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)。海纜埋設(shè)在海床下2m,海床淤泥質(zhì)地稀軟,所以兩種情況下海纜和船錨所受阻力近似相等,兩種損傷方式可以合并為一種進(jìn)行仿真。本文研究的110kV XLPE光電復(fù)合海纜敷設(shè)海域最大水深為25m,根據(jù)杭州灣水域案例和淺海船錨使用情況[17,18],實(shí)驗(yàn)船錨選取660kg 規(guī)格的霍爾錨。

        接觸定義的準(zhǔn)確性決定了仿真的精度。錨害過(guò)程中,海纜的外表面會(huì)與內(nèi)層及船錨外表面接觸,受力增大到一定程度時(shí)會(huì)產(chǎn)生穿透,因此,本文根據(jù)對(duì)稱罰函數(shù)法在接觸面之間引入界面接觸力,使用單面接觸類(lèi)型。又因?yàn)殄^害過(guò)程中同時(shí)存在剛體與變形體及變形體之間的接觸,接觸方向判斷困難,所以采用計(jì)算機(jī)自動(dòng)識(shí)別方式,這是在人工無(wú)法準(zhǔn)確判斷接觸集合時(shí)最有效的方法。

        錨害發(fā)生位置附近一定長(zhǎng)度的海纜會(huì)產(chǎn)生位移,而更遠(yuǎn)距離處的海纜無(wú)位移。因此,對(duì)海纜兩端截面上的節(jié)點(diǎn)施加約束,使其位置固定,讓海纜的其他部分隨錨害發(fā)生變形與移動(dòng),模擬錨害的實(shí)際情況。另外,海纜敷設(shè)于海床下2m 的淤泥中,自身重力和洋流的影響平均分布于海纜全長(zhǎng)上,由于錨害僅作用于海纜局部,海纜的應(yīng)力、應(yīng)變變化也僅產(chǎn)生于局部,所以仿真時(shí)忽略自重和洋流的影響。

        3 有限元仿真結(jié)果及分析

        3.1 仿真結(jié)果評(píng)價(jià)

        利用建立的模型進(jìn)行錨害仿真,得到海纜在錨害后的位移云圖如圖3 所示。

        圖3 接觸過(guò)程中的位移變化Fig.3 Displacement change in contact process

        由圖3 可見(jiàn),在整個(gè)錨害過(guò)程中,海纜被船錨拖動(dòng)并擠壓,船錨接觸位置海纜位移最大,海纜位移量與施加的船錨載荷位移量吻合。另外,沙漏能是衡量仿真正確性的重要指標(biāo),準(zhǔn)確的仿真應(yīng)保證沙漏能不超過(guò)內(nèi)能的10%[19]。為了減少計(jì)算時(shí)間,本文采用了單點(diǎn)積分,將仿真時(shí)間縮短了80%,但同時(shí)也導(dǎo)致了沙漏能的產(chǎn)生。本文仿真結(jié)果的內(nèi)能與沙漏能變化如圖4 所示。由圖4 可見(jiàn),沙漏能被控制在內(nèi)能的1.6%以內(nèi),保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性。

        圖4 內(nèi)能/沙漏能-時(shí)間曲線Fig.4 Internal energy/hourglass energy-time profile

        3.2 仿真數(shù)據(jù)分析

        海纜直徑大,兩根光單元在海纜內(nèi)部成螺旋絞合狀,海纜軸向不同位置處,光單元處于海纜橫截面圓周的不同位置上,因此,錨害時(shí)船錨與海纜的接觸點(diǎn)與光單元在海纜橫截面圓周上的相對(duì)位置是隨機(jī)的。為了保證仿真的全面性,需考慮船錨從不同角度接觸海纜的情況。本文以30°為步進(jìn),進(jìn)行了12 組仿真。

        鎧裝層在海纜保護(hù)中起主要作用,鎧裝層的失效意味著其保護(hù)海纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能的喪失,因此本文通過(guò)鎧裝層損傷判斷海纜的機(jī)械損傷。目前有4種強(qiáng)度理論可描述材料的失效情況,其中,形狀改變比能理論以Von Mises 應(yīng)力為依據(jù),最適合于鋼、銅、鋁等塑性金屬材料[20]。本文利用鎧裝層應(yīng)力判斷鎧裝層損傷情況,進(jìn)而判斷錨害程度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果分別繪制12 組不同方向接觸過(guò)程中的鎧裝層應(yīng)力-時(shí)間曲線和光纖應(yīng)變-時(shí)間曲線,如圖5 所示。為清楚地展示鎧裝層應(yīng)力與光纖應(yīng)變的變化,使用K-means 算法[21]得到曲線的聚類(lèi)中心,如圖5 中星狀曲線所示。該聚類(lèi)中心與各曲線的誤差平方和最小,能夠反映各方向接觸時(shí)應(yīng)力和應(yīng)變隨時(shí)間變化的整體趨勢(shì)。

        圖5 鎧裝層應(yīng)力和光纖應(yīng)變隨時(shí)間的變化Fig.5 Variation of armored layer stress and optical fiber strain over time

        由圖5 可知,錨害過(guò)程中鎧裝層應(yīng)力和光纖應(yīng)變?cè)诓煌佑|角度時(shí)幅度有差異,但整體變化趨勢(shì)基本一致,說(shuō)明海纜錨害過(guò)程中以上兩個(gè)參量的變化是有規(guī)律的,聚類(lèi)中心曲線可以描述錨害過(guò)程。鎧裝層應(yīng)力經(jīng)過(guò)了上升、保持、上升三個(gè)階段;第一階段,錨害剛剛開(kāi)始,鎧裝層應(yīng)力逐漸增加,鎧裝鋼絲處于彈性范圍內(nèi),應(yīng)力隨時(shí)間近似呈線性變化;第二階段,鎧裝層應(yīng)力超過(guò)了屈服應(yīng)力,鎧裝產(chǎn)生了塑性應(yīng)變,海纜內(nèi)層結(jié)構(gòu)產(chǎn)生位移,鎧裝鋼絲變得相對(duì)松散,應(yīng)力下降;第三階段,錨害的加劇使鎧裝鋼絲再次拉緊受力,應(yīng)力再次線性增加。仿真數(shù)據(jù)與材料的彈塑性理論相符。光纖是彈性材料,光纖應(yīng)變隨錨害程度的加劇增加。相對(duì)于鎧裝的變化過(guò)程,第一階段,光纖余長(zhǎng)導(dǎo)致應(yīng)變基本不變;第二階段,光單元受力變長(zhǎng)消耗了光纖余長(zhǎng),光纖應(yīng)變開(kāi)始增加,此后一直上升??梢岳霉饫w應(yīng)變變化描述海纜錨害過(guò)程。

        3.3 海纜錨害過(guò)程的函數(shù)表示

        為了能通過(guò)光纖應(yīng)變反映海纜的錨害過(guò)程,為基于光纖傳感的海纜狀態(tài)監(jiān)測(cè)提供理論支持,本文分別將光纖應(yīng)變、鎧裝層應(yīng)力和鎧裝層塑性應(yīng)變的K-means 聚類(lèi)結(jié)果按照各自最大值做歸一化處理,發(fā)現(xiàn)在鎧裝層應(yīng)力變化過(guò)程中有四個(gè)關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn),分別記為T(mén)1、T2、T3和T4,如圖6 所示。

        圖6 歸一化的光纖應(yīng)變/鎧裝層應(yīng)力/鎧裝層塑性應(yīng)變-時(shí)間曲線及擬合結(jié)果Fig.6 Normalized optical fiber strain/ armored layer stress/armored layer plastic strain-time profile and fitting results

        0~T1過(guò)程中,船錨接觸并拖動(dòng)海纜,鎧裝層承受的應(yīng)力處于彈性范圍之內(nèi)成線性增加,還沒(méi)有發(fā)生塑性應(yīng)變;此過(guò)程中,鎧裝層對(duì)光單元具有一定的保護(hù)作用,加之光纖余長(zhǎng)的存在,導(dǎo)致光纖應(yīng)變?cè)黾雍苌?;在T1時(shí)刻,鎧裝層應(yīng)力達(dá)到屈服應(yīng)力,鎧裝層開(kāi)始產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性應(yīng)變。T1~T2過(guò)程中,鎧裝層應(yīng)力和塑性應(yīng)變隨著錨害程度加劇而增加,達(dá)到峰值后進(jìn)入保持狀態(tài);鎧裝層擠壓光單元,光纖應(yīng)變?cè)诠饫w余長(zhǎng)消耗完后大幅上升;在 T2時(shí)刻,鎧裝層變形后進(jìn)入強(qiáng)化階段。T2~T3過(guò)程中,船錨擠壓導(dǎo)致海纜橫截面變扁,鎧裝層結(jié)構(gòu)變松散,鎧裝鋼絲長(zhǎng)度相對(duì)增加,鎧裝層應(yīng)力成下降趨勢(shì);鎧裝層塑性應(yīng)變保持不變;光纖應(yīng)變?cè)黾铀俣茸兙?;在T3時(shí)刻鎧裝層應(yīng)力下降至最低值。T3~T4過(guò)程中,錨害程度加劇使進(jìn)入強(qiáng)化階段的鎧裝層再次產(chǎn)生應(yīng)變,應(yīng)力增加,但強(qiáng)化導(dǎo)致上升趨勢(shì)較0~T1時(shí)段變緩;塑性應(yīng)變?nèi)员3植蛔儯还饫w應(yīng)變上升速度比上一階段有所增加;在T4時(shí)刻,鎧裝層應(yīng)力再次增加到新的屈服應(yīng)力數(shù)值,產(chǎn)生第二次塑性應(yīng)變,即發(fā)生更嚴(yán)重的變形。T4時(shí)刻之后,鎧裝層應(yīng)力和塑性應(yīng)變、光纖應(yīng)變都快速上升,達(dá)到頂點(diǎn)后鎧裝層鋼絲進(jìn)入材料強(qiáng)度極限,發(fā)生斷裂,光纖也會(huì)斷裂。分別將不同時(shí)段的鎧裝層應(yīng)力和光纖應(yīng)變對(duì)時(shí)間步擬合得出擬合結(jié)果為

        式中 s(t)——鎧裝層應(yīng)力;

        t——時(shí)間;

        RMSE——鎧裝層應(yīng)力的擬合均方根誤差。

        式中 f(t)——光纖應(yīng)變;

        RMSE——光纖應(yīng)變的擬合均方根誤差。

        實(shí)際運(yùn)行的海纜敷設(shè)于海床上或海床下的淤泥中,受洋流、潮汐、巖石摩擦、海床坡度變化等多種因素影響,導(dǎo)致鎧裝層沿海纜軸向的應(yīng)力分布是變化的,但這些因素的影響相對(duì)于錨害而言是大時(shí)間尺度的,即在錨害發(fā)生的時(shí)間內(nèi),可以認(rèn)為以上因素的影響是固定不變的,相當(dāng)于海纜上某一點(diǎn)處的鎧裝應(yīng)力在錨害前有一個(gè)初始值,初始值可能是變化的,但錨害過(guò)程中鎧裝應(yīng)力和光纖應(yīng)變的變化趨勢(shì)是有規(guī)律的。因此,公式中的常數(shù)項(xiàng)可根據(jù)實(shí)際情況修正。

        3.4 海纜錨害程度分級(jí)

        受多種因素影響,錨害對(duì)海纜的損壞程度各有不同。為了能夠利用光纖應(yīng)變反映海纜損壞程度,合理評(píng)估海纜狀態(tài),有必要給出表征海纜損壞程度的光纖應(yīng)變閾值。圖7 所示是利用海纜截面變形情況直觀展示了海纜的錨害過(guò)程。

        圖7 海纜截面變化Fig.7 Cross-section changes of submarine cable

        圖7 中,T1時(shí)刻,海纜鎧裝層開(kāi)始屈服并產(chǎn)生塑性應(yīng)變,但海纜的整體結(jié)構(gòu)基本不變,HDPE 護(hù)套以內(nèi)形狀基本保持,海纜仍能正常運(yùn)行,此時(shí)光纖應(yīng)變處于0.12%~0.14%范圍,可以將光纖應(yīng)變達(dá)到0.12%作為判斷海纜輕度損傷的閾值。T2時(shí)刻,鎧裝層發(fā)生了較大變形,內(nèi)部結(jié)構(gòu)在其保護(hù)下仍比較完整,但HDPE 護(hù)套以內(nèi)形狀發(fā)生了變化,運(yùn)行中可能發(fā)生局部放電,長(zhǎng)期運(yùn)行有可能導(dǎo)致漏電流的產(chǎn)生;此時(shí),光纖應(yīng)變?cè)龃笾?.35%~0.42%范圍,可以將光纖應(yīng)變達(dá)到0.35%作為判斷海纜中度損傷的閾值。T4時(shí)刻,海纜鎧裝和內(nèi)部結(jié)構(gòu)都產(chǎn)生了嚴(yán)重?cái)D壓變形,鎧裝層的保護(hù)作用接近極限,海纜不能正常運(yùn)行;此時(shí)光纖應(yīng)變約為1.1%,可將此值作為判斷海纜重度損傷的閾值。此后,隨著錨害程度的加劇,海纜將產(chǎn)生更嚴(yán)重的扭曲變形,甚至有斷裂的危險(xiǎn)。

        4 海纜模型試驗(yàn)

        海纜體積和重量大,進(jìn)行實(shí)體錨害試驗(yàn)困難,目前國(guó)內(nèi)海纜廠家和研究院所都不具備試驗(yàn)條件。由于本文研究的是海纜內(nèi)復(fù)合光纖的應(yīng)變隨海纜錨害的變化情況,進(jìn)而反映海纜的錨害程度,所以可用海纜模型試驗(yàn)驗(yàn)證光纖應(yīng)變仿真結(jié)果的正確性。

        本文用塑膠圓管代替海纜光單元以內(nèi)的海纜本體,根據(jù)實(shí)際海纜的直徑,按比例將裸光纖以一定節(jié)距絞合纏繞于塑膠圓管外壁,沿光纖軸向用膠帶固定光纖于圓管外壁,避免錨害時(shí)光纖產(chǎn)生不符合實(shí)際的軸向移位,同時(shí)起到保護(hù)光纖的作用,實(shí)物照片如圖8 所示。將海纜模型兩端固定,從中間施加外力模擬錨害故障,用BOTDR 監(jiān)測(cè)光纖上的應(yīng)變變化,測(cè)量的應(yīng)變曲線如圖 9 所示。圖 9a是BOTDR 測(cè)量的光纖應(yīng)變分布曲線。由圖可見(jiàn),由于往塑膠圓管上纏繞光纖時(shí),對(duì)光纖施加了一定的預(yù)應(yīng)力,所以光纖的初始應(yīng)變不為零。隨著船錨拖動(dòng)海纜位移的增加,海纜模型上光纖的應(yīng)變成上升趨勢(shì)。將海纜模型上光纖的應(yīng)變?cè)陂L(zhǎng)度上取平均,畫(huà)出它隨錨害位移增加的變化曲線如圖9b 所示。由圖可見(jiàn),隨著位移的增加,光纖應(yīng)變先增加,而后增幅變緩,之后增幅又上升,此變化趨勢(shì)與仿真結(jié)果的T1~T2、T2~T3和T3~T4過(guò)程一致,證明了仿真的正確性。

        圖8 海纜模型照片F(xiàn)ig.8 Picture of submarine cable model

        圖9 不同錨害位移下的光纖應(yīng)變變化Fig.9 Optical fiber strain variation at different anchor damage displacement

        5 結(jié)論

        利用有限元分析法建立海纜模型,可為分析錨害過(guò)程提供方便、有效的手段,并可獲得比實(shí)體實(shí)驗(yàn)更豐富的數(shù)據(jù)。通過(guò)分析仿真數(shù)據(jù),得出以下結(jié)論:

        (1)海纜在錨害過(guò)程中,鎧裝層應(yīng)力呈先增加、后減少、再增加的分段變化趨勢(shì),在超過(guò)材料的屈服應(yīng)力后會(huì)發(fā)生強(qiáng)化現(xiàn)象,產(chǎn)生不可逆的塑性應(yīng)變,之后應(yīng)力以相對(duì)較低斜率繼續(xù)增加。相同錨害過(guò)程中,鎧裝層應(yīng)力和光纖應(yīng)變?cè)诓煌^害角度下的數(shù)值存在差異,但它們具有相同的變化趨勢(shì),可用各變化曲線的聚類(lèi)中心描述這一趨勢(shì)。

        (2)海纜鎧裝層應(yīng)力和光纖應(yīng)變的變化趨勢(shì)在多次錨害仿真中具有可重復(fù)性,可利用分段函數(shù)從理論上表示海纜錨害的過(guò)程,為利用分布式光纖傳感技術(shù)進(jìn)行海纜錨害監(jiān)測(cè)、預(yù)測(cè)和錨害程度判斷提供理論參考。

        (3)結(jié)合鎧裝層應(yīng)力、塑性應(yīng)變和海纜整體變形情況,可將海纜錨害分為輕度損傷、中度損傷和重度損傷三個(gè)等級(jí),對(duì)應(yīng)的光纖應(yīng)變閾值為0.12%、0.35%和1.1%,作為判斷海纜錨害程度的依據(jù)。

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