1、 ：光纤光缆技术与应用刘子惠，胡凯，郑新龙，等 海底光纤复合缆机械损伤有限元仿真分析综述 光通信研究，（）：，（）：海底光纤复合缆机械损伤有限元仿真分析综述刘子惠，胡凯，郑新龙，梁云，张梓平（国网智能电网研究院有限公司，北京 ；国网浙江省电力有限公司舟山供电公司，浙江 舟山 ）摘要：海底光纤复合缆广泛应用于跨海洋信息能源互联互通工程中，在国家海洋发展战略中发挥着关键作用。海底环境复杂，不同类型机械损伤将直接影响海缆的安全运行，有限元仿真技术通过分工况模拟，为海缆的安全监测提供了一种低成本高效率的理论支撑手段。为总结现有技术，评估未来发展方向，文章梳理了海缆的拉伸、扭转和弯曲机械形变有限元仿真技
2、术，并从锚害和自然洋流等因素层面，总结了海缆机械损伤有限元仿真研究结果，为光纤传感等监测技术提供了依据，最后对仿真技术进行了总结展望。关键词：海底光纤复合缆；有限元分析；光纤传感；光纤通信中图分类号：文献标志码：文章编号：（），（，；，）：，：；引言海底电缆（简称海缆）保障着电力和信息专递的有效进行，在经济发展和安全建设等方面起着重要作用，是全球能源互联互通，新能源开发传送不可或缺的“生命线”。年，第一条海底电缆在德国伊萨尔河建立，至今，世界范围内已经铺设了大量海底电缆，在材料选用、结构设计以及铺设方法上，相关技术不断更新和完善。我国海缆建设规模在大幅增加，以浙江省舟山海底电缆为例，其长度就超
3、过了 ，海缆遭受损伤将带来巨大后果，近年来发生的海缆故障就造成了约亿元的经济损失。然而相比陆地电缆，其故障排查困难，修复成本高。据统计，海缆受到的损伤超过 来自于船锚和渔事活动，其他损伤原因包括地震、洋流等地质活动以及磨损、侵蚀和海洋生物活动等，这些都将给海缆运行带来不确定的影响。实时监测海缆状况是相关机构要突破的技术难题，目前采用的手段包括人工巡检、雷达监控以及声、电、光、磁等相关传感器融合检测等，其中光纤传感监测技术在满足长距离、全天候、高灵敏度和实时监测等方面要求上有着突出优势。同时，现在新型海缆多使用光电复合结构，其内置光纤为光纤传感技术提供了便捷。在海缆发生损害时，物理过程和相关状态
4、量检测成本高，仿真手段可以有效模拟不同环境，极大降低了状态分析成本，对相关物理量的分析也为实地收稿日期：；修回日期：；纸质出版日期：基金项目：国家电网公司科技资助项目（）作者简介：刘子惠（），女，山西朔州人。工程师，硕士，主要研究方向为光纤传感。通信作者：刘子惠，工程师。：.年第期总第 期光 通 信 研 究 （）海缆故障监测技术提供了有效的数据支撑。针对海底光纤复合缆的有限元仿真，多以国内学者的研究为主，本文梳理了不同损伤工况的有限元仿真技术，归纳总结了相关结构层在损伤中的性能和它们与光单元应变之间的联系，为仿真技术进一步研究以及实际监测提供参考。海底光纤复合电缆的有限元仿真有限元分析是用数学
5、近似法解决物理问题，面对复杂难以求解的问题，有限元分析将无限逼近正确结果，高效且成本低的优点使其在众多科研领域发挥着不可替代的作用。主流的有限元软件包括 、和 等，在仿真设计时，都需要先考虑研究对象的结构特征，将模型进行有效简化，接着确定相关材料参数和单元格类型，根据结构的几何特点划分网格，网格的划分对仿真结果的影响至关重要，最后对模型进行接触定义、边界条件约束和载荷加载。新型海缆使用光电复合结构，主要由电缆和光纤外加保护覆盖层构成。在近几年的海缆工程建设中，以直流输电居多，且电压等级呈现出越来越高的趋势，绝缘技术几乎全部采用由交联聚乙烯（，）作为包覆层，根据导电芯的数量，主要分为单芯和三芯，
6、在多数情况下，分别使用在高压和中低压输电中。在海底光纤复合缆的有限元设计中，众多学者根据所选海缆型号进行了大同小异的简化处理。图所示为某种型号 海缆结构，图中，左边为单芯结构，右边为三芯结构。图所示为某型号单芯和三芯海缆的截面图，并标注出了主要结构。不同型号的海缆结构会图光电复合缆 有所不同，但是海缆的经典结构包括不限于：外被层一般是聚丙烯（）绳和沥青，用来抵御海水造成的腐蚀；钢丝铠装层是建模的关键结构，由钢丝螺旋缠绕构成，用来抵抗机械损伤；铅合金起抵御腐蚀和水压的作用；绝缘层传递能量，与陆地电缆相同；其结构内外均有屏蔽层用来均匀电场，起到保护绝缘层的作用。在仿真时，一般将导体屏蔽层、绝缘屏蔽
7、层和半导电缓冲带和 层合并在一起，其他结构层根据仿真情况进行合并或者删减。图海缆截面图 海缆的铠装层结构是由一定数量的钢丝按照一定的捻角缠绕形成，是海缆抵抗机械损伤的关键结构，在仿真中需要精确绘制，周学军等提出了精确构建铠装层结构的方法，为使钢丝本身以及钢丝与内层结构紧密接触，提出了最多允许钢丝根数的计算公式，为仿真建模提供了可靠的依据。海缆的基础形变仿真拉伸、弯曲和扭转是海缆的基础形变形式，众多学者做了相关的研究。在不同损伤情况下，铠装层遭受损伤的程度直接影响海缆的安全状况，是起到关键作用的保护层，铜导体是传输电力的核心。另外，为了通过光纤分布传感技术获得海缆实时监测结果，需要得到光纤的应变
8、信息，研究光单元的应变和其他各结构应力应变之间的关系有利于为光纤传感提供技术依据。海缆的拉伸海缆的拉伸是最基础的形变情况，多发生在海洋作用下或是因为在敷设期间受到船舶的拖拽，拉伸仿真可以分析各结构受力特性，为海缆提供安全保障技术。拉伸可以通过在海缆一端添加位移或者速度载荷实现，为了使海缆各层结构位移相同，可以在载荷端设置一段刚体或者两端设置参考点 来施加拉伸载荷。图所示为海缆拉伸模型。图海缆拉伸模型 单芯海缆受到拉伸作用时，海缆和光单元应变之间的关系为线性，拟合结果如图所示。其中比例系数小于，说明光单元的变化要比海缆变化小，光通信研究 年第期总第 期常数项小于表示在开始阶段光纤存在余长。缆芯作
9、为海缆输电的关键结构，在不同拉力作用下，铜导体应力和光单元应变之间的关系如图所示，其 应 力 和 光 单 元 应 变 之 间 的 关 系 拟 合 函 数为.，为光单元应变，为缆芯应力，文中没有考虑光单元的余长。图海缆与光单元应变拟合曲线 图不同拉力作用下，铜导体应力和光单元应变拟合曲线 对于三芯海缆模型，铜导体应变和光单元应变之间的关系如图所示，除此之外，张旭 建立了双铠海缆模型，等间距取 个截面，得到不同位置处随时间变化的应力曲线如图所示，处在海缆两端，受力比中心点高 左右。王文超等 建立了扁钢丝铠装海缆模型，还计算了实际海底张力和拖拽产生的最大拉力，得到光单元在最大拉力下其性能无影响，各结
10、构应力应变趋势和圆铠装海缆类似。图铜导体和光单元的应变拟合曲线 图海缆不同位置应力时间曲线 解伟轩等 比较了在 软件中用梁单元，在 软件中用实体单元建模，以及采用理论建模方法分别计算三芯风电海缆的拉伸刚度。理论解忽略在拉伸时产生的扭转应力，适合在估算时使用，梁单元适合用在结构相对简单的海缆建模中，计算更为简便，实体单元计算复杂，结构要考虑结果的收敛性和精度。可见，海缆拉伸损伤的主要影响因素是拉伸长度，可由拉伸力度和时间控制，不同拉力下，随着拉力的增加，各层的应力、应变和塑性应变随着时间的变化更快；相同拉力下，各结构受到的最大主应力差距较大，其中铠装结构承受主要拉力，且承受的拉力比例在一个小范围
11、内波动，在不同截面处拉力不同，其中端面处拉力大于中间处，在施加拉力的不同时间里，最大相差。直线拉伸时，绞合结构抗拉能力更强，所以铠装结构不论扁形还是圆形都有很好的抵御效果，在一定程度上保护了海缆不受损伤。在拉力作用下，光单元的应变比海缆的小，两者拟合曲线为一次函数，考虑光纤余长时常数项小于。海缆的弯曲海缆的弯曲会导致断缆、接地和漏电等事故，仿真技术能获得各层的结构数据，为相关研究提供参考。建模时需要限制海缆自由端轴向位移和旋转，固定端为所有自由度全约束，给海缆施加弯曲载荷，得到各结构相关数据。图所示为海缆弯曲模型。图海缆弯曲模型 单芯海缆在一端固定一端弯曲的工况下，铜导体应力在空间和时间上的分
12、布如图和 所示，图 所示为光单元的应变结果，共分为个阶段，考刘子惠 等：海底光纤复合缆机械损伤有限元仿真分析综述虑到第阶段其他结构塑性形变失效，建立第阶段前的铜导体和铅合金的应力与光纤应变之间的关系如图 所示。图不同加载时间下铜导体应力位置曲线 图 不同弯曲半径下铜导体应力时间曲线 图 光单元应变弯曲角度曲线 弯曲载荷施加在海缆的中部可以模拟海缆铺设时的弯曲工况，海缆两端固定，中间位移值最大，在这种载荷加载下铜导体的应力分布曲线如图 所示。海缆弯曲损伤的主要影响因素为弯曲半径角度，通过控制载荷加载可以模拟不同条件，仿真结果可在时间域和空间域查看，应力应变曲线服从材料图 铜导体、铅合金应力与光单
13、元应变拟合曲线 图 铜导体应力分布曲线 的双线性随动强化准则，其他结构和光单元应变的拟合中，拟合曲线为分段一次函数，在实际问题中需要考虑光纤的余长。海缆的扭转海缆的扭转发生在海缆的拉伸和卷绕中，海缆各层接触紧密且存在较大的摩擦力，在海缆的机械变形中认为各层的扭转角度是相同的。在仿真设计中，为了减少计算时间，将各层的摩擦力设置为零，扭转角度设置相同，在一端施加不同速度扭转载荷的同时另一端固定，模拟海缆在卷绕过程中发生的扭转。图 所示为海缆扭转模型。图 海缆扭转模型 单芯海缆扭转仿真研究中，不同扭转速度下铜导体的应力和应变随时间的变化关系如图 所示。考虑不同扭转方向的情况，光单元应变随时间的变化关
14、系如图 所示，取的扭转速度光通信研究 年第期总第 期拟合得到铜导体应力和光单元应变的拟合曲线如图 所示，在扭转方向和光单元相反时，拟合曲线类似只是比例系数不同。图 铜导体应力和应变随时间的变化曲线 图 光单元应变随时间的变化关系图 对于三芯海缆，各结构应力和光单元应变的拟合关系在不同速度下几乎相同，以铜导体为例，在扭转方向与光单元绞合方向一致时，拟合关系图 铜导体应力和光单元应变拟合曲线 为 .，（）式中，为铜导体应力。扭转方向相反时，光单元应变用 表示，拟合关系为 .。（）海缆的扭转损伤受扭转角度的影响，铜导体在扭转角度较小时，应力应变在轴向均匀分布，角度较大时，轴向分布出现波动，当扭转速度
15、越快时，应力应变增长也越快，最终的值也越大。以不同角度扭转，各结构应力增长趋势不同，在扭转过程中，同一断面处各结构受到的应力变化趋势为先增大后减小，随着扭转角度积累，各结构发生材料屈服的顺序为铜导体、钢丝铠装层和光单元。因为铠装层和光单元具有螺旋结构，扭转方向会对其产生较大的影响，在海缆的应力应变和光单元的应变拟合曲线中，分扭转方向不同一次项系数和常数也不同。不同工况下海缆损伤的建模海缆的锚害锚害是造成海缆损伤的主要原因，其主要包括船锚的砸落和钩挂，都是锚和海缆的接触作用，钩挂比砸落作用时间更长。在分析中可以根据实际情况将锚结构简化，同时可将锚设置为刚体结构减少中央处理器（，）计算时长。分析海
16、缆锚砸特性时，可以分析光纤和其他结构的应力应变随时间的变化关系，结合海缆整体的形变情况将海缆的损伤分为几个特征部分。对于单刘子惠 等：海底光纤复合缆机械损伤有限元仿真分析综述芯海缆，图 中建立了光纤应变、铠装层应力和应变的归一化值，结合海缆的损伤情况可以得到由划分的个特征阶段：第阶段中，铠装层发生弹性形变，光纤因为铠装层的保护以及自身冗余没有发生明显的形变；第阶段中，铠装层应力和应变达到塑性变化，光单元在此阶段应变大幅上升；第阶段中，铠装层塑性应变保持不变，应力下降，光纤应变增加变缓慢；第阶段中，铠装层进入强化阶段，该阶段塑性应变不变，应力较第阶段增加缓慢，光纤应变上升速度比第阶段增加；第阶段中，铠装层发生第次塑性应变，各个值都快速增加，达到顶点之后铠装层和光单元都会发生断裂。不同 学 者 模 型 有 差 异，张 旭 以 光 纤 的 应 变 值 、和 对应海缆的初始接触、轻度损伤和重度损伤状态；胡志伟以应变值小于 、在 之间、在 之间、大于 划分正常、轻度损伤、高度损伤和发生损坏个阶段。图 归一化的光纤应变铠装层应力铠装层塑性应变时间曲线及拟合结果 发生锚砸后，光单元在个方向上的加速度