海洋脐带缆铠装钢丝的结构设计(2)
拉伸刚度:
上述各式中各项系数的表达式分别为:
式中,EiAi为螺旋构件的抗拉刚度;EcAc、GcJc分别为轴向构件的抗拉刚度和抗扭刚度;Ri是节圆半径;Rc是螺旋构件接触半径;α是螺旋构件的螺旋角度;0Θ=时,中心内核为刚性,1Θ=时,中心内核不可压缩。
3.1.铠装脐带缆理论分析模型
双层铠装脐带缆由中心内核、双层铠装钢丝以及外护套组成,其中中心内核从内到外分别是裹有护套的中心钢管、螺旋管件层和内层护套。本节选用了某工程实例的脐带缆,中心内核的螺旋管件螺旋角度均为12°,模型见图2,中心内核结构尺寸见表1,材料特性见表2。由于铠装钢丝为螺旋缠绕结构,故脐带缆会产生拉扭耦合效应,其整体拉伸或者扭转刚度会随着约束条件的变化而变化。当脐带缆受扭时,可设允许拉伸和不允许拉伸两种约束条件;当脐带缆受拉时,可设允许扭转和不允许扭转两种约束条件。
Figure 2.Model of double armoured umbilical图2.双层铠装脐带缆模型
Table of umbilical central core表1.脐带缆中心内核尺寸单元类型 外径/mm 壁厚/mm 截面面积/mm2中心钢管 13.6 1.0 39.6中心聚合物保护层 30.8 8.4 591.1螺旋功能管件层 61.6 15.6 -内层聚合物保护套 71.6 5.0 1046.15
Table properties表2.材料特性材料 弹性模量/GPa 泊松比 密度/kg·m3钢材 210 0.3 7800铜导线 109 0.33 8900聚合物 1.5 0.48 1000
3.2.铠装钢丝螺旋角度的设计
本节均选定铠装钢丝半径为2.5 mm。利用公式(1) (2)分别计算出铠装钢丝内外层数量,见表3。基于此分别计算比较脐带缆整体拉伸和扭转强度随铠装钢丝螺旋角度的变化情况。在进行铠装钢丝螺旋角度和半径的设计时,由于外护套截面面积较小且弹性模量较小,可忽略外护套的贡献。
Table 3.Number of armoured steel wire表3.铠装钢丝数量螺旋角度/° 0 10 20 30 40 50 60 70 n内 46 45 43 40 35 29 23 15 n外 49 48 46 43 38 37 24 16
3.2.1.铠装钢丝螺旋角度与整体拉伸刚度的关系
不同约束条件下脐带缆整体拉伸刚度与铠装钢丝螺旋角度的关系见图3。可知,两种约束条件下,脐带缆整体拉伸刚度随铠装钢丝螺旋角度的变化趋势一致。当铠装钢丝螺旋角度从0°增加到10°时,脐带缆整体拉伸刚度略有下降,但下降得并不明显,10°时脐带缆整体拉伸刚度约为0°时的95%。当铠装钢丝的螺旋角度从10°增大到50°时,脐带缆整体拉伸刚度下降速率进一步加大,20°、30°、40°和50°时拉伸刚度约为0°时的81%、63%、45%和30%,这表明,随着螺旋角度的增大,铠装钢丝的抗拉性能明显削弱。在脐带缆设计中要求铠装钢丝所提供的抗拉刚度能够达到整体的60%~80%,因此,为保证脐带缆整体有较大的拉伸强度,通常将螺旋角度设置为不超过20°。
Figure between torsional stiffness of umbilical and spiral angel of armored steel wireand spiral angel of armored steel wire图3.脐带缆拉伸刚度与铠装钢丝螺旋角度的关系
3.2.2.铠装钢丝螺旋角度与整体扭转刚度的关系
图4为不同约束条件下脐带缆整体扭转刚度与铠装螺旋钢丝的关系。可知,两种约束条件下,脐带缆整体扭转刚度随铠装钢丝螺旋角度的变化趋势一致。铠装钢丝螺旋角度小于40°时,脐带缆整体扭转刚度随着铠装钢丝螺旋角度的增大而增大,且近似为线性关系。当螺旋角度超过40°时,脐带缆整体扭转刚度开始明显下降,螺旋角度超过一定角度后,扭转刚度反而低于0°时的扭转刚度,这表明较大的螺旋角度会对脐带缆扭转刚度会产生不利的影响。为保证脐带缆整体有较大的扭转刚度,铠装钢丝的螺旋角度也不宜过大。
Figure between torsional stiffness of umbilical and spiral angel of armored steel wireand spiral angel of armored steel wire图4.脐带缆扭转刚度与铠装钢丝螺旋角度的关系
3.3.铠装钢丝半径的设计
本节均设定铠装钢丝螺旋角度为10°。利用公式(1) (2)分别计算出铠装钢丝内外层数量,见表4。基于此分别计算比较脐带缆整体拉伸和扭转强度随铠装钢丝半径的变化情况。
Table 4.Number of armoured steel wire表4.铠装钢丝数量钢丝半径/mm 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 5 n内 223 112 75 56 45 38 33 29 26 23 n外 226 115 78 60 48 41 36 32 29 26
3.3.1.铠装钢丝半径与整体拉伸刚度的关系
图5反映了不同约束条件下脐带缆整体拉伸刚度与铠装钢丝半径的关系。可知,不同边界条件下,铠装脐带缆整体拉伸刚度均随着铠装钢丝半径的增大而增大,且近似为线性关系。
文章来源:《机械强度》 网址: http://www.jxqdzzs.cn/qikandaodu/2020/1104/347.html