考慮溫度場效應的臍帶纜截面結構設計與優(yōu)化.pdf

1、隨著海洋油氣開采深度的不斷增加，對水下生產系統(tǒng)裝備的要求也更加嚴格，臍帶纜作為海洋油氣開采系統(tǒng)中不可或缺的裝備之一，其為用來連接上部浮體與下部生產系統(tǒng)的纜線，為水下生產系統(tǒng)提供電能、控制信號以及液壓和化學藥劑。臍帶纜是由光、電以及鋼管等單元螺旋纏繞所構成的非粘接的復合結構形式。臍帶纜在安裝、儲運以及在位運行的過程中受到功能荷載與環(huán)境荷載的作用，使得臍帶纜內部各單元之間產生接觸、摩擦和擠壓等復雜的非線性問題。并且臍帶纜在電能傳輸?shù)倪^程中會

2、產生大量的熱量，使臍帶纜內部的溫度升高，影響到材料的力學性能，進一步影響到整個纜體的力學性能。因此，臍帶纜在位運行時受到復雜的海況以及自身物理場的耦合作用，在多學科荷載的作用下使得對臍帶纜的整體性能的設計與分析變的非常困難。由于我國深海油氣的開采起步較晚，目前海洋油氣開采裝備的研發(fā)與生產正處于起步的階段，尚不具備獨立設計與生產臍帶纜的能力。我國臍帶纜應用來源主要依賴于進口，同時國外廠商實施臍帶纜生產技術的壟斷與封鎖，從而對我國海洋油氣的

3、開采起到了嚴重的限制與約束作用。
　　首先，本文針對國內外鋼管臍帶纜的設計與分析方法展開了系統(tǒng)的調研和總結，初步掌握臍帶纜在功能荷載下的失效模式，并依據相應的失效模式提出了關鍵受力構件如鎧裝鋼絲、填充和液壓管道的設計與分析方法。同時針對現(xiàn)有理論分析方法的不足，提出了半數(shù)值分析方法更精確地求解臍帶纜拉彎能力曲線。其次，考慮到工作中電纜所釋放熱量會對截面材料以及力學性能產生影響，文中利用解析分析和數(shù)值模型分別分析了溫度對截面力學性能的

4、影響以及一定傳輸功率下截面溫度分布的特征。同時通過引入耦合分析方法對臍帶纜截面徑向力學性能進行了分析，發(fā)現(xiàn)溫度對截面徑向剛度的影響高達83.1％。最后，基于臍帶纜規(guī)范中的截面設計對稱性與緊湊性準則，提出相應量化指標并給出理論設計方法，同時，針對臍帶纜在位運行時所涉及到多學科荷載進行研究，應用理論與數(shù)值結合的分析方法對其進行溫度場分析，提出簡化的溫度場優(yōu)化方法。然后建立力學性能與熱場分析的多學科優(yōu)化設計框架，編制相應優(yōu)化程序求得多目標最優(yōu)