水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證.pdf

1、通過(guò)對(duì)臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及分析的研究成果調(diào)研，不難發(fā)現(xiàn)臍帶纜設(shè)計(jì)與制造被少數(shù)幾個(gè)公司壟斷，他們具有完善的設(shè)計(jì)、加工、測(cè)試、安裝及監(jiān)測(cè)等全面技術(shù)，并開發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的專用計(jì)算軟件以及完備的實(shí)驗(yàn)裝置和方法。臍帶纜分析研究主要集中在結(jié)構(gòu)的拉伸剛度、彎曲剛度及疲勞壽命等的解析分析、有限元分析及實(shí)驗(yàn)研究。國(guó)內(nèi)在臍帶纜設(shè)計(jì)、分析及實(shí)驗(yàn)等方面的研究還處于起步階段。
　　本文系統(tǒng)開展了深水動(dòng)態(tài)臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證研究，提出了基于控制主要失效模式

2、的設(shè)計(jì)方法，建立了臍帶纜拉伸性能、彎曲性能以及疲勞性能的預(yù)測(cè)模型，并搭建了相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行驗(yàn)證;提出了臍帶纜單元排布的可量化方法進(jìn)行截面的布局設(shè)計(jì)。它是國(guó)家863計(jì)劃“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究”專題（2009AA09Z301）的子課題“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的軟件開發(fā)與實(shí)驗(yàn)研究”（2009AA09Z301-2）的研究成果的重要組成部分。主要研究?jī)?nèi)容包括：⑴第一章介紹研究背景、研究目的以及意義，然后對(duì)臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)分析的國(guó)內(nèi)外

3、發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行介紹。并對(duì)當(dāng)前臍帶纜結(jié)構(gòu)的理論分析、數(shù)值分析以及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)展進(jìn)行了歸納和總結(jié)。⑵第二章介紹臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的考慮因素，主要的考慮因素是海洋環(huán)境作用包括水深、波浪以及海流荷載。在這些荷載作用下，使得臍帶纜在安裝及在位工況主要受到拉伸荷載、彎曲荷載及疲勞等荷載作用。臍帶纜設(shè)計(jì)需要考慮這些荷載作用進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。臍帶纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要是對(duì)承力單元的設(shè)計(jì)以及單元布局的設(shè)計(jì)。本文針對(duì)深水動(dòng)態(tài)臍帶纜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，考慮拉伸、彎曲和疲勞三種主要失效模

4、式。⑶第三章介紹臍帶纜拉伸性能的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。拉伸剛度是衡量臍帶纜拉伸性能的重要指標(biāo)。本章提出準(zhǔn)確考慮纜芯徑向收縮的拉伸剛度分析的半解析模型，并搭建原型拉伸實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證分析模型的準(zhǔn)確性。分別對(duì)某動(dòng)力臍帶纜和某鋼管臍帶纜的拉伸剛度進(jìn)行分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。并對(duì)影響臍帶纜拉伸剛度設(shè)計(jì)的主要參數(shù)纜芯徑向剛度、鎧裝鋼絲的纏繞角度及鋼絲直徑等參數(shù)進(jìn)行分析研究。⑷第四章介紹臍帶纜彎曲性能的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。彎曲剛度是衡量臍帶纜彎曲性能的重要指標(biāo)。彎曲剛度理論分析

5、模型無(wú)法考慮摩擦的影響，本文建立了考慮單元間摩擦影響的全三維有限元分析模型，該模型能模擬臍帶纜從無(wú)滑動(dòng)、部分滑動(dòng)到全滑動(dòng)階段的非線性彎曲行為。在實(shí)驗(yàn)室搭建原型彎曲實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)驗(yàn)證分析模型的準(zhǔn)確性。對(duì)某鋼管臍帶纜的彎曲剛度進(jìn)行理論分析、有限元分析以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)影響臍帶纜彎曲剛度的主要參數(shù)單元間的摩擦系數(shù)、單元的纏繞角度以及護(hù)套材料等參數(shù)進(jìn)行分析。⑸第五章介紹臍帶纜疲勞性能的設(shè)計(jì)與驗(yàn)證。在疲勞壽命預(yù)測(cè)模型中，充分考慮臍帶纜截面多層次及單元間接

6、觸摩擦的結(jié)構(gòu)特征，在整體荷載分析模型中采用非線性彎曲剛度作為輸入，同時(shí)在局部應(yīng)力分析模型中考慮單元間摩擦應(yīng)力的非線性?；谝陨险w荷載及局部應(yīng)力分析模型可以得到臍帶纜更準(zhǔn)確的疲勞壽命預(yù)測(cè)。由于疲勞分析的不確定性較多，疲勞壽命分析需要實(shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證?；谄趬勖治鲈?，搭建四點(diǎn)純彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)?zāi)殠Ю|的疲勞性能。對(duì)某1500m水深的動(dòng)態(tài)臍帶纜進(jìn)行疲勞壽命分析及疲勞實(shí)驗(yàn)。⑹第六章介紹臍帶纜單元布局的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。除了考慮臍帶纜規(guī)范提出的單元

7、盡可能對(duì)稱性原則，在布局設(shè)計(jì)時(shí)考慮結(jié)構(gòu)力學(xué)性能影響因素。提出一個(gè)可量化表達(dá)并能定量分析的最優(yōu)布局設(shè)計(jì)方法。為保證每層單元的對(duì)稱排布，提出旋轉(zhuǎn)對(duì)稱及最大對(duì)稱軸的數(shù)學(xué)表達(dá)方法，并編寫可視化界面可進(jìn)行對(duì)稱布局排布?；诿繉訂卧顑?yōu)排布設(shè)計(jì)之后，對(duì)不同的初始布局方式基于截面有限元模型進(jìn)行定量分析，分析不同布局方式的截面排布的受力與變形，確定最優(yōu)的截面布局的設(shè)計(jì)。對(duì)某臍帶纜實(shí)例進(jìn)行布局設(shè)計(jì)。⑺第七章為結(jié)論和展望。本文主要研究?jī)?nèi)容如圖1.19所示。