閻軍，步宇峰，蘇琦，陳金龍，蘆兆寬，金超越，盧青針

1.大連理工大學(xué) 工程力學(xué)系 工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，遼寧 大連 116024

2.大連理工大學(xué)寧波研究院，浙江 寧波 315016

3.大連理工大學(xué) 海洋科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，遼寧 盤錦 124221

4.江蘇亨通海洋光網(wǎng)系統(tǒng)有限公司，江蘇 常熟 215537

伴隨國(guó)家能源結(jié)構(gòu)的調(diào)整，加快推動(dòng)綠色低 碳發(fā)展成為戰(zhàn)略使命，新能源的開發(fā)也受到越來越多的關(guān)注[1]。風(fēng)力發(fā)電與傳統(tǒng)的燃煤發(fā)電相比，沒有二氧化碳的排放，是一種理想的可再生綠色能源。相比于陸上風(fēng)電，海上風(fēng)電具有風(fēng)力大、功率高、遠(yuǎn)離居民區(qū)等優(yōu)勢(shì)。從2005 年開始，我國(guó)開始在浙江、上海以及江蘇等地籌建海上風(fēng)電場(chǎng)，海上風(fēng)電已成為未來風(fēng)電發(fā)展的必然趨勢(shì)[2]。而浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜是海上風(fēng)電系統(tǒng)中必不可少的重要裝備之一，通常用于連接海上風(fēng)電平臺(tái)和海床靜態(tài)海底陣列/輸出電力電纜，動(dòng)態(tài)纜必須保持盡可能高的完整性，以確保不間斷發(fā)電[3-4]。浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜是一種由多種單元集合而成的大型纜線，內(nèi)部包含著銅導(dǎo)線、光纖、鎧裝鋼絲及填充等多種單元，主要用于電力輸送、信號(hào)傳輸以及數(shù)據(jù)采集等。由于海上風(fēng)電研究起步較晚，很多學(xué)者偏重于浮式平臺(tái)系泊系統(tǒng)和風(fēng)電機(jī)組研究，而對(duì)浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜的力學(xué)性能分析研究較少。但當(dāng)動(dòng)態(tài)纜在位運(yùn)行時(shí)會(huì)輸送強(qiáng)電流，產(chǎn)生大量熱量，導(dǎo)致動(dòng)態(tài)纜截面溫度升高，降低動(dòng)態(tài)纜構(gòu)件材料的力學(xué)性能和輸電能力，進(jìn)而影響動(dòng)態(tài)纜整體力學(xué)性能以及使用壽命[5-6]。

目前導(dǎo)體溫度理論解可以根據(jù)經(jīng)典二維穩(wěn)態(tài)傳熱傅里葉定律得出，該方法基于熱導(dǎo)體中由于存在溫度梯度進(jìn)而導(dǎo)致的熱傳遞問題，熱量由內(nèi)部向外部傳遞發(fā)生熱交換。但動(dòng)態(tài)纜工業(yè)產(chǎn)品會(huì)使用多種材料，構(gòu)件間會(huì)存在間隙，在理論分析時(shí)難以考慮上述因素，故很難從理論模型中獲得準(zhǔn)確結(jié)果。因此，許多學(xué)者借助專業(yè)數(shù)值軟件去分析電纜結(jié)構(gòu)通電狀態(tài)下整體溫度場(chǎng)分布情況。通常數(shù)值軟件計(jì)算電纜溫度場(chǎng)的方法包括邊界元法、有限元法和有限差分法。其中有限元法因其快捷、準(zhǔn)確和模型兼容性高等優(yōu)點(diǎn)是目前最常用的方法。S?vik等[7]為自主開發(fā)的BFLEX 軟件嵌入特定程序，可實(shí)現(xiàn)快速建立精準(zhǔn)臍帶纜，并且優(yōu)化單元接觸方式，很大程度上提高了模型計(jì)算收斂性。SHACKLETON等[8]依照理論模型簡(jiǎn)化了臍帶纜模型，并使用ABAQUS 分析了其溫度場(chǎng)與電磁場(chǎng)分布，發(fā)現(xiàn)邊界條件的重要性。郭宏等[9]利用ANSYS 軟件對(duì)簡(jiǎn)化后的臍帶纜模型進(jìn)行溫度場(chǎng)分布，并分析臍帶纜溫度對(duì)其輸電能力的影響。而Krieger等[10]認(rèn)為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)臍帶纜溫度需要將海浪的因素考慮進(jìn)去，通過FLUENT 軟件計(jì)算發(fā)現(xiàn)使用環(huán)境和陽光照射會(huì)影響裸露在空氣中的臍帶纜性能。Yang[11]和Yan[12-13]等針對(duì)結(jié)構(gòu)的熱彈性變形，利用有限元軟件引入熱-力耦合分析方法，研究溫度場(chǎng)對(duì)臍帶纜結(jié)構(gòu)的截面材料和力學(xué)性能影響，發(fā)現(xiàn)溫度是臍帶截面設(shè)計(jì)時(shí)不可忽略的重要因素。在電纜研究方面，Bosze等[14]通過對(duì)電纜進(jìn)行試驗(yàn)得到電纜整體力學(xué)性能隨溫度變化的曲線；余長(zhǎng)水等[15]對(duì)電纜進(jìn)行了高溫拉斷力數(shù)值分析并提出了符合導(dǎo)線生產(chǎn)的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)；秦春旭等[16]利用COMSOL 軟件對(duì)三芯光纖復(fù)合海底電纜的溫度場(chǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，并分析了環(huán)境溫度和海纜周圍介質(zhì)熱阻對(duì)三芯海纜溫度場(chǎng)的影響。

綜上所述，目前大部分研究都集中于臍帶纜，關(guān)于浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜多物理場(chǎng)耦合作用下的力學(xué)性能研究仍然不夠。因此，本文對(duì)浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜熱力耦合作用下的力學(xué)性能開展了分析研究。首先通過經(jīng)典理論公式對(duì)動(dòng)態(tài)纜進(jìn)行二維熱傳導(dǎo)分析；其次借助COMSOL 軟件建立動(dòng)態(tài)纜截面二維模型，對(duì)其進(jìn)行電磁耦合分析得到動(dòng)態(tài)纜截面溫度場(chǎng)分布；隨后將模型溫度場(chǎng)結(jié)果引入ANSYS workbench 軟件中對(duì)其進(jìn)行熱力耦合分析；最后分析比較靜力狀態(tài)和熱力耦合作用下的動(dòng)態(tài)纜截面模型的力學(xué)響應(yīng)，以確定溫度分布對(duì)動(dòng)態(tài)纜力學(xué)性能的影響，給出考慮熱力多場(chǎng)耦合情況下的浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜截面耦合分析方法。

1 動(dòng)態(tài)纜截面多物理場(chǎng)數(shù)值模型

本文選用國(guó)內(nèi)某型號(hào)浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜作為研究對(duì)象，對(duì)其進(jìn)行截面的多物理場(chǎng)耦合分析，動(dòng)態(tài)纜截面二維圖如圖1 所示。

圖1 浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜截面示意

模型的中心電纜導(dǎo)體面積為120 mm2，與傳統(tǒng)電纜導(dǎo)體面積相比提升較高。由圖1 可知，浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜截面構(gòu)件較多，布局形式復(fù)雜，對(duì)動(dòng)態(tài)纜內(nèi)部溫度場(chǎng)分布的分析僅限于穩(wěn)態(tài)傳熱。因此在提高模型計(jì)算收斂性但不影響準(zhǔn)確度的前提下，對(duì)動(dòng)態(tài)纜截面建模分析作如下假設(shè)和簡(jiǎn)化：1）將2 個(gè)鎧裝鋼絲層化簡(jiǎn)為圓環(huán)疊加的形式；2）將多根銅絲絞合的銅導(dǎo)體看成面積相同的單芯銅導(dǎo)體單元；3）將異形填充結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化為充滿剩余空隙的填充結(jié)構(gòu)；4）設(shè)定動(dòng)態(tài)纜所有材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)是一定的；5）動(dòng)態(tài)纜導(dǎo)體單元產(chǎn)生的熱量是均勻由內(nèi)到外傳遞的。

本文使用動(dòng)態(tài)纜模擬計(jì)算的材料參數(shù)見表1。其中，海水與空氣的材料參數(shù)會(huì)受溫度影響變化，因此直接使用軟件材料庫中的函數(shù)表達(dá)式，在此不再贅述。

表1 浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜材料參數(shù)

使用COMSOL Multiphysic 軟件依據(jù)上述簡(jiǎn)化條件和材料參數(shù)，建立動(dòng)態(tài)纜二維分析模型如圖2 所示。

圖2 動(dòng)態(tài)纜簡(jiǎn)化數(shù)值模型

浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜在位服役時(shí)，通常會(huì)在水下工作，并在電流的作用下會(huì)產(chǎn)生一定的磁場(chǎng)域，依據(jù)此工作環(huán)境，將動(dòng)態(tài)纜二維模型進(jìn)一步設(shè)置海水域和磁場(chǎng)域，如圖3 所示。

圖3 引入海水域與磁場(chǎng)域的動(dòng)態(tài)纜二維模型

為研究動(dòng)態(tài)纜截面在磁場(chǎng)和固體傳熱作用下的溫度場(chǎng)分布，在COMSOL Multiphysic 軟件中選擇電磁熱多物理計(jì)算模塊進(jìn)行分析。磁場(chǎng)模塊中，將模型計(jì)算域半徑設(shè)置為300 mm，并對(duì)動(dòng)態(tài)纜內(nèi)部金屬部件進(jìn)行相關(guān)磁場(chǎng)設(shè)置；固體傳熱模塊中，計(jì)算域半徑設(shè)置為500 mm，包括海水在內(nèi)，將動(dòng)態(tài)纜截面內(nèi)部接觸邊界設(shè)置為熱厚近似的薄層模型，材料選用空氣。邊界條件和材料設(shè)置完成后，選擇適合電磁熱分析計(jì)算的三角形網(wǎng)格單元對(duì)動(dòng)態(tài)纜截面模型進(jìn)行劃分，如圖4 所示，根據(jù)COMSOL 相關(guān)教程[17]使用50 Hz 頻率的頻域-穩(wěn)態(tài)求解模式進(jìn)行分析。

圖4 動(dòng)態(tài)纜模型截面網(wǎng)格劃分

當(dāng)完成動(dòng)態(tài)纜截面電磁耦合的溫度場(chǎng)分析后，為保證模型的一致性，可將此模型文件加載到ANSYS workbench 軟件中，只需調(diào)整網(wǎng)格單元類型、分析模式與鋼絲部件形狀，即可再對(duì)其進(jìn)行熱力耦合分析，此建模過程不再贅述。

2 動(dòng)態(tài)纜截面多物理場(chǎng)分析

浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜在位運(yùn)行時(shí)載流量一般會(huì)達(dá)到數(shù)百安培，導(dǎo)體電阻會(huì)產(chǎn)生大量熱量，進(jìn)而使動(dòng)態(tài)纜整體溫度升高。動(dòng)態(tài)纜自身發(fā)熱量會(huì)通過熱傳遞到屏蔽層、護(hù)套層以及鎧裝層等部件，經(jīng)過內(nèi)部構(gòu)件的熱阻損失后再傳遞到外界環(huán)境，最終達(dá)到自身與外界環(huán)境的穩(wěn)定狀態(tài)。動(dòng)態(tài)纜結(jié)構(gòu)使用了大量高分子材料，這些高分子材質(zhì)存在著一定的耐受溫度，超過耐受溫度后，會(huì)使其自身的力學(xué)性能和使用壽命發(fā)生改變，對(duì)動(dòng)態(tài)纜整體結(jié)構(gòu)和使用壽命產(chǎn)生影響。因此，準(zhǔn)確分析多物理場(chǎng)耦合作用下的動(dòng)態(tài)纜力學(xué)性能至關(guān)重要。

2.1 動(dòng)態(tài)纜截面電磁耦合溫度場(chǎng)理論分析

目前對(duì)三芯動(dòng)態(tài)纜溫度場(chǎng)計(jì)算的理論公式還沒有完全成型，國(guó)際電纜載流量計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中的方法是僅針對(duì)單芯電纜截面的溫度場(chǎng)計(jì)算，結(jié)果會(huì)存在較大誤差。因此本小節(jié)基于傅里葉定律的二維經(jīng)典穩(wěn)態(tài)傳熱問題，對(duì)動(dòng)態(tài)纜截面進(jìn)行分析，其公式為

式中：q為局部熱流密度，k為導(dǎo)熱系數(shù)，T為溫度。

依據(jù)散度準(zhǔn)則規(guī)定，熱流守恒，即

結(jié)合動(dòng)態(tài)纜模型分析，纜體產(chǎn)生的熱量來自電磁損耗，但由于不考慮介電滯和磁滯現(xiàn)象消耗的能量，那么電阻損耗為

式中：J為傳導(dǎo)電流密度，E*為電勢(shì)的復(fù)共軛，Qrh為電流電場(chǎng)循環(huán)的平均損耗。

通過分析可以假設(shè)動(dòng)態(tài)纜截面的熱響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)超過電場(chǎng)和電流的循環(huán)時(shí)間。將式（3）代入式（1）可得到關(guān)于T的二維偏微分方程：

由式（1）～（4），可確定熱平衡狀態(tài)下動(dòng)態(tài)纜的溫度值。但由于動(dòng)態(tài)纜通電產(chǎn)生的熱量要向周圍散發(fā)，因此要在理論模型中加入恒定溫度的狄利克雷類型邊界條件，那么在動(dòng)態(tài)纜截面的熱響應(yīng)時(shí)間遠(yuǎn)超過電場(chǎng)和電流的循環(huán)時(shí)間的條件下，電導(dǎo)率和溫度的關(guān)系表達(dá)式為

式中：σ為部件電導(dǎo)率，Tref為參考溫度，ρ0為在參考溫度下的參考電阻率，α為溫度系數(shù)。

根據(jù)動(dòng)態(tài)纜運(yùn)行狀態(tài)，其內(nèi)部電流為交流電，因此動(dòng)態(tài)纜的交流電阻為

式中：Rac為導(dǎo)體交流電阻，Rdc為導(dǎo)體直流電阻，η為導(dǎo)體交流電阻和導(dǎo)體直流電阻的比值。

接下來，將與溫度相關(guān)的電導(dǎo)率引進(jìn)磁場(chǎng)模型中，根據(jù)麥克斯韋-安培定律建立電熱耦合模型：

式中：μ為部件磁導(dǎo)率，ε為部件介電常數(shù)，ω為頻率。

將式（7）和式（4）整合，可建立得到動(dòng)態(tài)纜電熱耦合模型。但此模型目前只是解釋了動(dòng)態(tài)纜整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單傳熱問題，還需對(duì)動(dòng)態(tài)纜截面的多部件間傳熱繼續(xù)細(xì)化建模。對(duì)于物理傳熱問題，有2 種分析模型，分別是熱薄近似模型（高導(dǎo)電層）和熱厚近似模型（薄電阻層）。針對(duì)動(dòng)態(tài)纜部件間具有電勢(shì)和溫度較高且邊界無限薄的特性，發(fā)現(xiàn)熱厚近似模型更適合動(dòng)態(tài)纜電熱耦合理論模型，表現(xiàn)為

式中：Rs為材料熱阻率，Tu為上邊界溫度值，Td為下邊界溫度值。

2.2 動(dòng)態(tài)纜截面電磁耦合溫度場(chǎng)數(shù)值分析

2.1 節(jié)已完成動(dòng)態(tài)纜的電熱耦合理論模型，但實(shí)際制造過程中動(dòng)態(tài)纜結(jié)構(gòu)組成更復(fù)雜，難以確定部件間隙的大小，為準(zhǔn)確得到動(dòng)態(tài)纜實(shí)際運(yùn)行時(shí)的溫度場(chǎng)分布，本小節(jié)將使用COMSOL Multiphysic 軟件進(jìn)行分析。前文已詳細(xì)介紹過建模過程，在此不再贅述。根據(jù)動(dòng)態(tài)纜在位運(yùn)行條件，將動(dòng)態(tài)纜模型溫度初始值設(shè)置為0 ℃，根據(jù)海洋不同深度溫度梯度變化可知，將軟件中海水域溫度設(shè)置為4 ℃，由動(dòng)態(tài)纜設(shè)計(jì)書得到本文中心電纜電流最高可達(dá)300 A 左右。

通過COMSOL Multiphysic 軟件對(duì)動(dòng)態(tài)纜截面進(jìn)行溫度場(chǎng)分析，對(duì)動(dòng)態(tài)纜中心電纜施加300 A電流時(shí)，由于動(dòng)態(tài)纜內(nèi)無其他熱源，動(dòng)態(tài)纜模型的最高溫度出現(xiàn)在中心電纜區(qū)域，為45.1 ℃，截面溫度場(chǎng)表現(xiàn)出以中心電纜為熱源呈梯度遞減的分布形式；動(dòng)態(tài)纜模型的最低溫度出現(xiàn)在外護(hù)套區(qū)域，為28.7 ℃，結(jié)果如圖5 所示。

圖5 動(dòng)態(tài)纜截面溫度分布云圖

為了更加直觀地觀察浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜截面溫度場(chǎng)的分布情況，在結(jié)果中使用高度表達(dá)功能，得到動(dòng)態(tài)纜截面三維溫度場(chǎng)的分布梯度云圖，如圖6 所示。

圖6 動(dòng)態(tài)纜截面三維溫度場(chǎng)分布云圖

從圖6 可以發(fā)現(xiàn)，動(dòng)態(tài)纜截面部件間的接觸位置出現(xiàn)了結(jié)果不連續(xù)的現(xiàn)象，這是由于在軟件中選擇了熱厚近似薄層模型造成的，但并不影響后續(xù)分析。并且通過相關(guān)資料可知[18]，當(dāng)截面溫度上升會(huì)提高導(dǎo)體電阻，電壓恒定的情況下會(huì)降低電纜載流量。

2.3 動(dòng)態(tài)纜截面熱力耦合數(shù)值分析

動(dòng)態(tài)纜作為浮式風(fēng)機(jī)與海底設(shè)備的重要連接部件之一，其主要功能為電力輸送，但在敷設(shè)安裝以及在位運(yùn)行時(shí)還面臨海洋的惡劣環(huán)境影響作用，包括水深壓力以及波浪作用等。但目前關(guān)于動(dòng)態(tài)纜內(nèi)部電流產(chǎn)生的溫度場(chǎng)和外部載荷產(chǎn)生的機(jī)械場(chǎng)對(duì)動(dòng)態(tài)纜結(jié)構(gòu)響應(yīng)的耦合效應(yīng)的研究還不足，當(dāng)動(dòng)態(tài)纜在海洋環(huán)境中使用時(shí)，結(jié)構(gòu)會(huì)受到均勻的靜水壓力。隨著應(yīng)用深度的增加，結(jié)構(gòu)上的外部壓力也越來越大。外壓載荷條件下的熱力耦合分析將有助于設(shè)計(jì)人員了解動(dòng)態(tài)纜結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用中的響應(yīng)。本節(jié)將針對(duì)通電時(shí)浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜模型橫截面在均勻外壓載荷下進(jìn)行耦合分析。

多物理場(chǎng)耦合對(duì)于動(dòng)態(tài)纜內(nèi)部的材料力學(xué)性能影響較大，其中金屬材料力學(xué)性能對(duì)溫度變化不敏感，在分析中可忽略這一影響，而高分子材料的力學(xué)性能對(duì)溫度變化較為敏感。浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜內(nèi)部的高分子材料為XLPE 和HDPE，XLPE用作電纜的絕緣材料，HDPE 用作動(dòng)態(tài)纜的護(hù)套材料。通過查閱文獻(xiàn)[19-20]可知XLPE 和HDPE的楊氏模量與溫度之間的關(guān)系假定滿足：

由式（9）和（10）可得，XLPE 和HDPE 的楊氏模量與溫度的關(guān)系曲線如圖7 所示。

圖7 高分子材料楊氏模量與溫度變化曲線

由圖7 可知，XLPE 和HDPE 的楊氏模量會(huì)隨著溫度升高而降低，而其材料性能的變化會(huì)直接影響動(dòng)態(tài)纜結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。當(dāng)動(dòng)態(tài)纜應(yīng)用于水中時(shí)會(huì)承受靜水壓力，進(jìn)而其內(nèi)部材料會(huì)承受較大壓力，因此溫度變化對(duì)動(dòng)態(tài)纜剛度的影響不可忽視，動(dòng)態(tài)纜截面復(fù)雜的溫度分布也會(huì)使多物理場(chǎng)耦合分析變得復(fù)雜。

為更準(zhǔn)確模擬動(dòng)態(tài)纜的靜水壓力條件，本小節(jié)采用ANSYS workbench 軟件對(duì)動(dòng)態(tài)纜進(jìn)行熱力耦合分析。本次模擬中需要對(duì)動(dòng)態(tài)纜進(jìn)行如下設(shè)置：1）分析模式：熱力耦合分析模塊；2）傳熱接觸：部件間設(shè)置傳熱系數(shù)；3）網(wǎng)格類型：選擇應(yīng)力分析網(wǎng)格單元；4）外部壓力條件：選擇動(dòng)態(tài)纜外圍施加壓力條件，并且為了更加精準(zhǔn)刻畫動(dòng)態(tài)纜在熱力耦合分析下的力學(xué)響應(yīng)，在熱力耦合分析中將鋼絲部件不再簡(jiǎn)化，所有初始溫度設(shè)置均采用2.2 節(jié)中計(jì)算結(jié)果，動(dòng)態(tài)纜內(nèi)部材料力學(xué)性能見表2。

表2 動(dòng)態(tài)纜內(nèi)部材料力學(xué)性能參數(shù)

對(duì)浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜模型進(jìn)行靜力場(chǎng)分析。根據(jù)海水壓力變化規(guī)律，水深每下降100 m 壓強(qiáng)增加1 MPa[21]，浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜的工況一般是水下200 m，故環(huán)境壓強(qiáng)在2 MPa 左右。在不考慮溫度影響的情況下，將外部壓強(qiáng)應(yīng)用于靜力學(xué)分析模型。動(dòng)態(tài)纜模型在2 MPa 外部壓強(qiáng)下的應(yīng)力分布云圖和變形云圖如圖8 所示。當(dāng)只施加均勻外壓時(shí)，動(dòng)態(tài)纜的最大應(yīng)力發(fā)生在外鎧裝層，為91.241 MPa；最大變形發(fā)生在外護(hù)套，為0.049 mm。

圖8 靜力場(chǎng)下（2 MPa）動(dòng)態(tài)纜云圖分析結(jié)果

對(duì)浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜模型進(jìn)行熱-力耦合場(chǎng)分析。考慮溫度場(chǎng)影響的情況下，施加相同外部壓強(qiáng)（2 MPa）于力學(xué)分析模型。動(dòng)態(tài)纜模型在2 MPa 外部壓強(qiáng)和電流300 A 下，模型的應(yīng)力云圖和位移云圖如圖9 所示。動(dòng)態(tài)纜的最大應(yīng)力發(fā)生在外鎧裝層，為164.490 MPa；最大變形發(fā)生在外護(hù)套，為0.071 mm。

圖9 熱力耦合場(chǎng)下（2 MPa、300 A）動(dòng)態(tài)纜云圖分析結(jié)果

從以上結(jié)果中分析得出，當(dāng)外壓為2 MPa 時(shí)，耦合分析的最大變形增加了44.90%，耦合分析的最大Mises 應(yīng)力增加了80.28%。與變形相比，溫度效應(yīng)對(duì)浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜模型的應(yīng)力的影響相對(duì)較大。這是由于在熱力耦合分析中引入了材料的線膨脹系數(shù)，溫度上升使動(dòng)態(tài)纜的內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了熱應(yīng)力，并且在空間上產(chǎn)生了向外擴(kuò)張的形變。但由于外壓作用、鎧裝鋼絲（主要承力結(jié)構(gòu)）體積占比以及螺旋纏繞的設(shè)計(jì)，會(huì)限制內(nèi)部構(gòu)件的向外擴(kuò)張，所以鎧裝鋼絲在溫度作用下應(yīng)力變化顯著，并且最大變形出現(xiàn)在外護(hù)套與鎧裝鋼絲的接觸面。鎧裝鋼絲增強(qiáng)了結(jié)構(gòu)的抗壓能力，而金屬材料的力學(xué)性能對(duì)溫度變化不敏感，故最大變形相對(duì)較小。因此，浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜模型的熱力耦合分析結(jié)果與單一力學(xué)分析結(jié)果有顯著差異。以上分析結(jié)果證實(shí)了浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜截面進(jìn)行多物理場(chǎng)耦合分析的必要性。

3 結(jié)論

本文針對(duì)浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜典型截面，首先建立了電熱磁耦合溫度場(chǎng)模型，得到了動(dòng)態(tài)纜截面在300 A 電流下的溫度場(chǎng)分布情況；其次將溫度場(chǎng)引進(jìn)靜力場(chǎng)中，考慮高分子材料的力學(xué)性能與溫度之間的非線性關(guān)系，建立了動(dòng)態(tài)纜截面的熱-力耦合分析模型；最后比較分析浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜的熱-力耦合場(chǎng)與靜力場(chǎng)結(jié)果，得出如下結(jié)論。

1）浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜模型橫截面最高溫度出現(xiàn)在中心電纜處，強(qiáng)電流引起熱量聚集導(dǎo)致動(dòng)態(tài)纜截面最高溫度快速升高，進(jìn)而會(huì)影響電纜整體載流量的下降。

2）多物理場(chǎng)耦合分析更貼近動(dòng)態(tài)纜實(shí)際運(yùn)行模式。熱-力耦合效應(yīng)對(duì)浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜的力學(xué)性能有顯著影響。

上述結(jié)果表明本文提出的考慮熱-力多場(chǎng)耦合情況下的浮式風(fēng)機(jī)用動(dòng)態(tài)纜截面耦合分析方法，可為浮式風(fēng)機(jī)動(dòng)態(tài)纜截面設(shè)計(jì)提供重要的技術(shù)支持，使動(dòng)態(tài)纜截面設(shè)計(jì)更加安全、可靠和經(jīng)濟(jì)。