海底光電復合纜受墜物撞擊損傷分析

李 英， 王 坤

(天津大學 建筑工程學院 水利工程仿真與安全國家重點實驗室， 天津 300350)

0 引 言

隨著風電逐漸向遠海發展，海底電纜在海上風力發電及輸電上的應用將擁有廣闊的市場前景。海底電纜發生故障會影響當地正常的生產和生活，且其維修費用昂貴，因此海底電纜的安全應引起足夠的重視。影響海底電纜安全的其中一個關鍵問題是墜物撞擊海底電纜，因此開展墜物撞擊海底電纜的研究對保障海底電纜安全穩定運行具有十分重要的意義。目前，國內外對墜物撞擊管道研究較多，海底電纜受墜物撞擊的文獻相對較少，可參考管道受墜物撞擊影響的文獻研究海底電纜受墜物撞擊的影響[1-5]。光電復合纜受墜物撞擊損傷的分析方法主要為數值模擬法和試驗研究法[6-9]。為深入理解墜物撞擊對海底光電復合纜造成的損傷，并進一步為海底光電復合纜的防護措施設計提供依據，本文基于耦合歐拉-拉格朗日(Coupled Eulerian-Lagrangian，CEL) 方法對墜物撞擊海底光電復合纜進行數值模擬，對剛性底質和非剛性底質兩種工況進行損傷對比分析，并研究墜物大小、最終撞擊速度、墜物質量和撞擊角度對海底光電復合纜損傷的影響。

1 墜物撞擊海底光電復合纜有限元模型

1.1 模型簡化

所研究的電纜是型號為AXBTV 170 kV的單層鎧裝光復合型電纜，其橫截面如圖1所示。由于主要研究內容是海底電纜受墜物撞擊后的力學性能,因此建模時結構強度低、厚度小的墊層、絕緣層和阻水層等可以作簡化處理，簡化后的橫截面如圖2所示。該光電復合纜的主要參數如表1所示，材料基本參數如表2所示。

圖1 海底光電復合纜橫截面

圖2 簡化后海底光電復合纜橫截面

表1 海底光電復合纜模型主要參數

表2 海底光電復合纜材料基本參數

1.2 墜物撞擊海底光電復合纜有限元模型

建立墜物、海底光電復合纜和海床的有限元模型，對墜物撞擊海底光電復合纜的動態沖擊過程進行仿真。海底光電復合纜鎧裝層螺距為3.6 m，電纜芯螺距為2.3 m，電纜的模型長度為2個鎧裝層螺距7.2 m。不考慮墜物的損傷，將質量為312 kg 的正方體墜物約束為剛體。對于剛性底質，不考慮撞擊過程中土體的變形，將海床模擬為剛體,其有限元模型如圖3所示；對于非剛性底質，考慮撞擊過程中土體發生的非線性大變形，將海床模擬為歐拉體，其本構模型選擇Mohr-Coulomb模型，有限元模型如圖4所示，材料參數如表3所示。由于海底光電復合纜各層之間的接觸非常復雜，因此設置為通用接觸。

圖3 剛性底質海底光電復合纜有限元模型

圖4 非剛性底質海底光電復合纜有限元模型

表3 非剛性底質土體材料參數

2 海底光電復合纜受撞擊時損傷分析

2.1 墜物撞擊海底光電復合纜過程中的能量變化

與墜物撞擊管道過程類似，墜物撞擊海底光電復合纜的過程本質也是非線性接觸、能量轉換過程。剛性底質上海底光電復合纜總動能和總內能變化如圖5所示，非剛性底質上海底光電復合纜總動能和總內能變化如圖6所示。由于剛性底質上海床不發生變形，對能量沒有吸收作用，因此在1個撞擊周期(墜物撞擊至被彈開)內能量變化與非剛性底質相比相對簡單且撞擊周期短，但能量變化趨勢與非剛性底質保持一致。

圖5 剛性底質撞擊過程中總動能和總內能隨時間變化曲線

圖6 非剛性底質撞擊過程中總動能和總內能隨時間變化曲線

2.2 墜物撞擊海底光電復合纜過程中的應力和應變

圖7為非剛性底質上1個撞擊周期內鎧裝層最大von Mises 應力時程曲線。圖8為剛性底質上1個撞擊周期內鎧裝層最大von Mises應力時程曲線。由圖7和圖8可知：在非剛性底質上，由于海床對能量的吸收作用，鎧裝層上的最大應力有一個隨作用時間延長而下降的過程，且作用在鎧裝層上的最大應力明顯小于剛性底質上作用在鎧裝層的最大應力。

圖9為非剛性底質上鎧裝層發生的最大等效塑性應變。圖10為剛性底質上鎧裝層發生的最大等效塑性應變。對比圖9與圖10可知，剛性底質上發生的最大等效塑性應變明顯大于非剛性底質。由此可推斷，在實際工程中在較硬的海床上鋪設海底光電復合纜需要施加更多的保護措施。為更直觀地獲得墜物撞擊海底光電復合纜對海底光電復合纜造

圖7 非剛性底質鎧裝層不同時間最大應力時程

圖8 剛性底質鎧裝層不同時間最大應力時程

成的損傷，進一步分析海底光電復合纜損傷因素的敏感性，第3節的分析均采用剛性底質。

圖9 非剛性底質鎧裝層等效塑性應變云圖

圖10 剛性底質鎧裝層等效塑性應變云圖

2.3 鎧裝層和電纜芯的等效塑性應變

圖11和圖12分別為墜物撞擊海底光電復合纜過程中鎧裝層和電纜芯等效塑性應變最大點的等效塑性應變時程曲線。由圖11和圖12可知：在墜物撞擊海底光電復合纜的過程中，鎧裝層和電纜芯的等效塑性應變變化趨勢一致。因此，可通過外部鎧裝層的損傷變形推斷電纜芯的損傷變形，這對在實際工程中判斷海底光電復合纜的損傷變形具有十分重要的意義。

圖11 鎧裝層等效塑性應變

圖12 電纜芯等效塑性應變

3 海底光電復合纜損傷因素分析

3.1 墜物大小對海底光電復合纜的影響

墜物大小與海底光電復合纜受力面積直接相關，因此墜物大小是影響海底光電復合纜受墜物撞擊損傷的關鍵因素之一。以質量為312.0 kg的正方體墜物為例，建立墜物邊長以50 mm為間隔、由100 mm增長至300 mm的計算模型。根據數值模擬計算結果，得到不同墜物大小海底光電復合纜鎧裝層發生的等效塑性應變，其變化趨勢如圖13所示。

由圖13可知：海底光電復合纜鎧裝層的等效塑性應變隨墜物邊長的縮短而增大，即在同等質量下，墜物越小，海底光電復合纜受到的損傷越大。但邊長為150 mm和200 m的墜物產生的鎧裝層等效塑性應變幾乎相同，這可能與海底光電復合纜直徑有關。

3.2 撞擊速度對海底光電復合纜的影響

海底光電復合纜所受撞擊能量與墜物的撞擊速度直接相關，因此墜物撞擊速度是影響海底光電復合纜受墜物撞擊損傷的關鍵因素之一。以質量為62.0 kg的正方體墜物為例，分別建立撞擊速度為3.50 m/s、3.70 m/s、3.85 m/s、4.00 m/s、4.20 m/s、4.35 m/s、4.50 m/s、4.70 m/s、4.85 m/s、5.00 m/s、5.20 m/s、5.35 m/s、5.50 m/s、5.70 m/s、5.85 m/s、6.00 m/s的計算模型。根據數值模擬計算結果，得到不同撞擊速度下海底光電復合纜鎧裝層發生的等效塑性應變，其變化趨勢如圖14所示。

圖14 不同撞擊速度下鎧裝層等效塑性應變

圖14表明海底光電復合纜鎧裝層的等效塑性應變隨撞擊速度的增高而增大，即撞擊海底光電復合纜的速度越高，海底光電復合纜受到的損傷越大。

3.3 墜物質量對海底光電復合纜的影響

海底光電復合纜所受撞擊能量還與墜物的質量直接相關，因此墜物質量也是影響海底光電復合纜受墜物撞擊損傷的關鍵因素之一。以撞擊速度為5.00 m/s的正方體墜物為例，建立墜物質量以31.2 kg 為間隔、由62.4 kg增大至374.4 kg的計算模型。根據數值模擬計算結果，得到不同質量墜物的撞擊下海底光電復合纜鎧裝層發生的等效塑性應變，其變化趨勢如圖15所示。

圖15 不同撞擊質量下鎧裝層等效塑性應變

由圖15可知：海底光電復合纜鎧裝層的等效塑性應變隨墜物質量的增大而增大，即撞擊海底光電復合纜的墜物質量越大，海底光電復合纜受到的損傷越大。

3.4 撞擊角度對海底光電復合纜的影響

墜物在海水中運動時可能受到波浪等因素的影響發生旋轉，導致最終撞擊海底光電復合纜的角度(墜物與海床的夾角)不同。為研究墜物撞擊海底光電復合纜的角度對海底光電復合纜損傷的影響，以撞擊速度為5.00 m/s、質量為62.0 kg的正方體墜物為例，建立以5°為間隔、撞擊角度由15°變化至85°的數值模型，模擬結果如圖16所示。與第3.1～第3.3節的工況相比，此時正方體的棱接觸海底光電復合纜，發生的塑性應變相對較大。

由圖16可知：當撞擊角度小于60°時，海底光電復合纜鎧裝層發生的等效塑性應變隨撞擊角度的增大而增大；當撞擊角度為60°時，海底光電復合纜鎧裝層發生的等效塑性應變最大，海底光電復合纜的損傷最嚴重；當撞擊角度大于70°時，海底光電復合纜鎧裝層發生的等效塑性應變快速下降，這是由于隨撞擊角度變化，正方體墜物的重心位置發生改變。

圖16 不同撞擊角度下鎧裝層等效塑性應變

4 結 論

由鎧裝層的能量變化曲線可知墜物撞擊海底光電復合纜的過程是一個能量轉換的過程。研究墜物大小、墜物質量、撞擊速度和撞擊角度對海底光電復合纜鎧裝層和電纜芯的應力應變得出如下結論：

(1) 剛性底質上發生的最大等效塑性應變明顯大于非剛性底質。由此可推斷，在實際工程中在較硬的海床上鋪設海底光電復合纜需要施加更多的保護措施。

(2) 鎧裝層是海底光電復合纜的主要承力構件，在工程實際中可通過監測鎧裝鋼絲的損傷變形推斷電纜芯的損傷變形。

(3) 海底光電復合纜受墜物撞擊后的損傷結果與墜物大小有關，對于同等質量的墜物，墜物越小越容易對海底光電復合纜造成較大的損傷。

(4) 海底光電復合纜受墜物撞擊后的損傷結果與墜物的質量和最終撞擊速度有關，墜物的質量和最終撞擊速度越大，越容易對海底光電復合纜造成較大的損傷。因此，鋪設在較大船只頻繁通行海域內的海底光電復合纜需要施加更多的保護措施。

(5) 海底光電復合纜受墜物撞擊后的損傷結果與墜物的撞擊角度有關，對于正方體墜物，當撞擊角度為60°時，海底光電復合纜受到的損傷最大，表明撞擊最大的角度并不是垂直方向，這與墜物的形狀和重心分布有關。