(19)国家知识产权局 (12)发明 专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请 号 202210999047.8 (22)申请日 2022.08.19 (71)申请人 西安交通大 学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 陈玉　张靖雯　李涵之　贾峰　 熊纬绮　奚学磊　王旭升　吴烨铭　 王双　成永红　 (74)专利代理 机构 西安恒泰知识产权代理事务 所 61216 专利代理师 王孝明 (51)Int.Cl. G06F 30/23(2020.01) G06F 30/10(2020.01) G06F 30/28(2020.01) G06T 17/20(2006.01)G06F 111/04(2020.01) G06F 113/08(2020.01) G06F 113/16(2020.01) G06F 119/14(2020.01) (54)发明名称 考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受 力仿真分析方法 (57)摘要 本发明提供了一种考虑海流力作用的充油 式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 包括基于仿 真模型建立网格剖分的三维有限元仿真模型； 进 行多物理场耦合计算， 获得计算结果； 得到初始 的悬空长度下电缆各层结构的应力分布图， 绘制 电缆的铠装层的三维应力分布图， 读取铠装层最 大应力； 在三维几何模型中更改电缆和光缆的悬 空长度， 重复上述步骤一至步骤六， 得到多组悬 空长度对应的铠装层最大应力值， 采用最小二乘 法对多组悬空长度与铠装层最大应力值的数据 进行拟合， 获取悬空长度与电缆的铠装层最大应 力之间的拟合关系， 根据铠装层材料的初始屈服 应力， 基于所述的拟合关系， 通过反演得到对应 的悬空长度。 满足海缆状态监测和对于故障严重 性判别的需求。 权利要求书2页 说明书6页 附图4页 CN 115392080 A 2022.11.25 CN 115392080 A 1.一种考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 其特征在于， 该方 法包括以下步骤： 步骤一， 根据充油式海底电缆中的电缆捆绑光缆的结构， 设置初始的悬空长度， 在有限 元仿真软件中建立 三维几何模型； 步骤二， 基于步骤一建立的三维几何模型， 根据电缆、 光缆和流体域的材料和材料参 数， 为三维几何模型中的对应结构添加材 料并设置材 料力学参数， 建立 三维有限元模型； 步骤三， 基于步骤二建立的三维有限元模型， 分别设置三维有限元模型的固体力学物 理场、 流体力学物理场和流固耦合交界面， 形成包括流体域模型3和固体域模型4的仿真模 型； 在所述的固体力学物理场中选定电缆和光缆区域， 设置电缆和光缆两端面为固定约 束， 设置电缆和光 缆受重力影响； 在所述的流体力学物 理场中， 选择海水区域， 根据 雷诺数计算选择流体形式， 根据海缆 工作海域的潮汐 表数据， 设置流体域的入口流速和出口压力； 选择电缆、 光 缆与海水的接触边界为 流固耦合交界面； 步骤四， 基于步骤三形成的仿真模型， 对海底的 电缆和光缆截面进行自由三角形网格 剖分后扫掠， 对 海水区域采用四面体网格剖分， 建立网格剖分的三维有限元仿真模型； 步骤五， 基于步骤四建立的网格剖分的三维有限元仿真模型， 进行多物 理场耦合计算， 获得计算结果； 所述的多物理场耦合计算的过程为： 对求解器进行设置， 进行流体域的流体控制方程 求解， 进行固体域的固体控制方程 求解， 利用流固耦合交界面相互 交换传递完成计算； 步骤六， 基于步骤五获得的计算结果， 得到初始 的悬空长度下电缆各层结构的应力分 布图， 绘制电缆的铠装层的三维应力分布图， 读取铠装层最大应力； 步骤七， 基于步骤一建立的三维几何模型， 在三维几何模型中更改电缆和光缆的悬空 长度， 重复步骤一至步骤六， 得到多组悬空长度与铠装层最大应力值， 采用最小二乘法对多 组悬空长度与铠装层最大应力值的数据进 行拟合， 获取悬 空长度与电缆的铠装层最大应力 之间的拟合关系， 根据 铠装层材料的初始屈服应力， 基于所述的拟合关系， 通过反演得到对 应的悬空长度； 步骤八， 基于步骤七获得的悬空长度， 建立悬空长度对应的海缆模型， 重复步骤一至步 骤六， 提取光纤应 变数据， 得到临界悬空长度下的光纤应 变值。 2.如权利要求1所述的考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 其 特征在于， 步骤一中， 在三维几何模型中， 充油式海底电缆的模型包括设置在一起的电缆 (1)和光缆(2)； 所述的电缆从内至外依次包括导体(101)、 绝缘层(102)、 铅合金护套(103)、 防腐层(104)、 铠装层(105)和外护层(106)； 所述的光缆(2)从内至外依次包括光单元 (201)、 光 缆内护套(202)、 镀锌钢丝铠装(20 3)和光缆外护层(204)。 3.如权利要求1所述的考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 其 特征在于， 步骤一中， 所述的初始的悬空长度为10m。 4.如权利要求1所述的考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 其 特征在于， 步骤一中， 所述的限元仿真软件采用多物理场耦合仿真软件COMSOL   Multiphysics。权　利　要　求　书 1/2 页 2 CN 115392080 A 25.如权利要求1所述的考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 其 特征在于， 步骤二中， 所述的电缆的材料包括铜、 浸渍纸带、 铅合金、 聚乙烯、 聚丙烯纱和沥 青。 6.如权利要求1所述的考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 其 特征在于， 步骤二中， 所述的光 缆的材料包括二氧化硅、 聚乙烯， 镀锌钢丝、 沥青和聚丙烯。 7.如权利要求1所述的考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 其 特征在于， 步骤二中， 所述的电缆和光缆的材料参数包括密度、 杨氏模量、 泊松比和屈 服强 度。 8.如权利要求1所述的考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 其 特征在于， 步骤二中， 所述的流体域的材料为海水； 所述的流体域的材料参数为海水的密度 和动力粘度。 9.如权利要求1所述的考虑海流力作用的充油式海底电缆悬空受力仿真分析方法， 其 特征在于， 步骤三中， 当悬空长度为10m时， 流体域模型为0.8m ×0.4m×10.4m的长方体。权　利　要　求　书 2/2 页 3 CN 115392080 A 3