（固体力学专业论文）深海系缆静力特性及水阻尼特性实验研究.pdf

中文摘要 随着海上大型系泊系统在海洋资源开采工程中的大量应用，系泊系统的设计 和结构稳定性成为专家们越来越关心的问题。由于质轻、价廉、回复刚度大、水 平覆盖域小、适用水深范围广等优点，合成纤维缆绳逐渐成为新型深海系泊系统 主要固定部件。近年来，系泊系统纤维缆绳力学性能已成为国内外相关领域研究 热点。系缆力学性能的相关理论及测试、评价标准尚未建立完善，因而研究系缆 力学性能并建立相关体系具有重要的研究价值和工程实际意义。 本文从构建深海系缆力学性能研究体系出发，分别对系缆静力特性、水阻尼 特性进行了实验研究。对实验结果进行分析并总结一般规律。 通过系缆强度性能实验分析了系缆强度曲线四个阶段，得到了系缆屈服强 度、破断强度、弹性模量等性能指标。总结得到系缆弹性模量受环境等因素影响 不大，基本为一恒定值。随加载速率增大，系缆破断强度减小，并逐渐趋于一稳 定值。湿环境下系缆屈服强度和破断强度大大增。 对系缆蠕变性能也进行了实验研究，得到了组成系缆的丝、股、绳的蠕变曲 线。分析了了系缆蠕变减速、等速、加速这三个典型阶段。总结出随应力增大， 蠕变速率加快，且应力水平越高，现象越明显。拟合得到对数形式的系缆归一化 蠕变函数，为估算系缆服役寿命提供了依据。 通过模型实验及c f d 模拟计算方法研究了系缆水阻尼特性。自主设计并建 立了包括水槽、机架、动力系统、传动系统、操作控制系统、测试系统、防护罩 等结构的实验平台。测试得到随水流速度增加，阻力系数增大，系缆所受阻尼力 也增大。在较高雷诺数( r e = 4 0 0 0 2 4 0 0 0 ) 下，系缆阻力系数基本不变，稳定在 1 1 1 之间，且系缆所受阻尼力正比于来流速度的平方，即do c u 2 。此外，运用 f l u e n t 软件模拟计算出圆柱绕流模型中的阻力系数，数值计算与实验结果吻合 得非常好，验证了此模型实验的可靠性。 关键词：系泊系统；系缆；静力特性；水阻尼特性；强度性能；蠕变性能 a b s t r a c t w i t ht h ew i d e s p r e a da p p l i c a t i o no fm o o r i n gs y s t e mi nt h ee x p l o i t a t i o no fm a r i n e r e s o u r c e s ，t h ed e s i g na n ds 仃u c 删s t a b i l i t yo fm o o r i n gs y s t e ma r ei n c r e a s i n g l y c o n c e r n e d w i t ht h eb a c ks t i f f n e s sa n ds m a l lc o v e r a g e ，w i d ea p p l i c a t i o no fd e p t h , e t c ， s y n t h e t i cf i b e rc a b l eh a sg r a d u a l l yb e c o m et h em a i nc o m p o n e n to fan e wd e e p - s e a m o o r i n gs y s t e m nr e c e n ty e a r s ，t h em e c h a n i c a lp r o p e r t yo fc a b l e sb e c o m e sa n i n t e r n a t i o n a lr e s e a r c hf o c u s s i n c et h et h e o r yo fm o o r i n gm e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ， t e s t i n ga n de v a l u a t i o nc r i t e r i ah a v en o tb e e ne s t a b l i s h e d ，t os t u d yt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e so f c a b l eb r i n g sa sg r e a tr e s e a r c hv a l u ea n dp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i no r d e rt ol e a r nt h em e c h a n i c a l p r o p e r t i e s o f d e e p s e am o o r i n gl i n e s ， e x p e r i m e n t a ls t u d i e si n v o l v e di ns t a t i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dd a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c so f t h em o o 血gc a b l e sh a v eb e e nc a r r i e do u ti nt h i st h e s i s s o m eg e n e r a lr u l e sh a v eb e e n s u m m e du p t h ei n t e n s i t yc u r v eo fc a b l ei sd i v i d e di n t of o u rt y p i c a lp h a s e s t h ey i e l d s t r e n g t h ，b r e a k i n gs t r e n g t ha n de l a s t i cm o d u l u sc a nb ec a l c u l a t e da n dt h ee l a s t i c m o d u l u si sb a s i c a l l yac o n s t a n t w i t ht h ei n c r e a s i n go fl o a d i n gr a t e ，t h eb r e a k i n gf o r c e r e d u c e sa n dg r a d u a l l yt e n d st os t a b i l i z e b r e a k i n gf o r c ea n dy i e l df o r c eo fw e t m o o r i n gr o p e sa r eg r e a t e rt h a nt h o s eo fd r yo n e s e x p e r i m e n t a lr e s e a r c ho fc a b l ec r e e pp r o p e r t i e sh a sb e e nc a r r i e do u t t h ec r e e p c a nb ed i v i d e di n t ot h r e et y p i c a ls t a g e si n c l u d i n gd e c e l e r a t i o np h a s e ，u n i f o r mp h a s e a n da c c e l e r a t i o np h a s e a ss t r e s si n c r e a s e s ，t h ec r e e pr a t ea c c e l e r a t e s a n dt h eh i g h e r s t r e s si s ，t h em o r eo b v i o u st h i sp h e n o m e n ai s b e s i d e s ，l o g a r i t h m i cf o r m so f n o r m a l i z e dc r e e pf u n c t i o nc o m i n gf r o mt h ef i t t i n gc u r v e sp r o v i d eab a s i so fl i f e p r e d i c t i o no fm o o r i n gc a b l e m o d e le x p e r i m e n ta n dc f ds i m u l a t i o nm e t h o da r eu s e dt os t u d yt h ed a m p i n g c h a r a c t e r i s t i c so fc a b l ei nt h i st h e s i s as e r i e so fs t r u c t u r e si n c l u d i n gas i n k ，ar a c k , p o w e rs y s t e m , t r a n s m i s s i o ns y s t e m , o p e r a t i o na n dc o n t r o ls y s t e m , t e s ts y s t e ma n d p r o t e c t i v ec o v e rh a v eb e e ni n d e p e n d e n t l yd e s i g n e da n dm a d eo u t w i t ht h ei n c r e a s e o ff l o wv e l o c i t ya n dd r a gc o e f f i c i e n t , t h ed a m p i n gf o r c ei n c r e a s e s t h ed r a g c o e f f i c i e n ti sb a s i c a l l yu n c h a n g e dw i t hag r e a tr e y n o l d sn u m b e rb e t w e e n4 0 0 0a n d 2 4 0 0 0 t h ed a m p i n gf o r c ei sp r o p o r t i o n a lt ot h es q u a r eo fv e l o c i t y , a n di tm e a n s do cu 2 t h e s e r e s u l t sa r ec o m p a r e dw i t ht h o s ef r o mf i n i t ee l e m e n tm e t h o d a n dt h e c o m p a r i s o ni sq u i t ef a v o r a b l e k e yw o r d s ： m o o r i n gs y s t e m ；c a b l e ；m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s ；s t a t i c c h a r a c t e r i s t i c s ；d a m p i n gc h a r a c t e r i s t i c s ；c r e e p ；d r a gc o e f f i c i e n t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导卜进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得苤壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己存论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文版权使用授权书 月尹日 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤洼盘鲎可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查测和借阅。同意学校 向囝家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期： 年羁日 翮虢咎域 签字日期：矿辟乡月户日 ， 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 深海系缆力学性熊研究的意义 随着社会的不断发展，人类对资源的需求逐渐增大。陆地资源濒临枯竭，人 类开始将触角伸向海洋，向海洋要资源。海洋是巨大的资源宝库，海洋中蕴藏着 丰富的石油、天然气等能源资源。过去由于技术原因人们对海洋能源望而却步， 自“深海钻井平台”出现后，人类开始向海洋深处的能源进发。 海洋油气勘探需要高新技术的支撑，海洋油气勘探晚于陆地近一个世纪，而 深海的油气勘探叉晚于浅海近3 0 年。随着海洋钻探和开发工程技术的不断进步， 深水的概念和范围不断扩大。9 0 年代末，水深超过3 0 0 m 的海域为深水区。目前， 以大于5 0 0 r a 为深水，大于1 5 0 0 m 则为超深水。研究和勘探实践表明，深水区油 气资源潜力大，勘探前景蓖好。据估计，世界海上4 4 的油气资源位于3 0 0 m 以 下的水域其中墨西哥湾深水油气资搪量高达4 0 0 亿- 5 0 0 亿桶油当量，约占墨西 哥湾大陆架油气资源量的4 0 咀上，而巴西东部海域深承油气比例高达9 0 左 右。 图卜l 我国自行建造的f p s 0 由于对进石油依存度的不断提高我国面临的国际风险也逐渐加大。发展 深海能源开采、储存、运输等技术成为我国自主掌控能源命脉、规避国际风险、 保障国家经济发展的关键。在深海( 3 0 0 米以上的水深) 开发能源，涉及到开采、 储存、运输、护卫等诸多环节深海开采的结构物通常是超大型的，如目前的 f p s o ( 浮式生产储油卸油船】干口s p a r ( 单立柱平台) 等，如何让如此庞大的结构物 天津大学硕士学位论文第一章绪论 在海上定位并能够正常工作，其系缆和系泊系统就成为关键问题。目前有多种用 于浮体结构定位的系泊系统，如悬链线系泊( c a t e n a r y m o o r i n g ) 、悬链线锚腿系泊 ( c a t e n a r ya n c h o rl e gm o o t i n g ) 、单锚腿系泊( s i n 甜e 卸c h o rl e gm o o r i n g ) 、张力腿系 泊( t e n s i o n l e g m o o r i n g ) 、系缆桩缓冲系泊( d o l p h i n - - f e n d e r m o o r i n g ) 等。一般来说， 系泊方式是根据系泊力的大小、水深、系索长度、是否配置中间浮体或沉箱、地 形和海床条件来确定。对不同的超大型结构物，其用途不同因而系泊方式也不 同。通常，在收集超大型结构物的设置海域气象海象等环境数据后，对各种系泊 方式进行模型试验和数值模拟，最后确定一种合适的系泊方式。 图卜2 传统s 眦平台图、桁架式s p a r 平台图、多柱式s p a r 平台 ， 魏攀 天津大学硕士学位论文第一章绪论 图卜3 系泊系统设计流程图 对于f p s o 、s p a r 这类巨型海上结构物，其系泊系统的设计非常复杂，尤 其是随着油气资源的开发越来越转往深水和超深水，深水系泊技术的研究也越来 越具有挑战性。在上千米甚至数千米水深的条件下，传统的系泊技术遇到技术上 和经济上难以逾越的障碍。老式的钢链和钢缆组成的悬链式系泊系统通常只适用 于l 千米内的水深，当水深超过l 千米后，不仅造价极高，而且带给结构物额外 的巨大重量，由于系统提供的回复刚度随水深的增大而降低，致使结构物在极端 气象条件下产生较大的水平偏离。 近年来，新型材料系缆和新型系泊技术方法等成为国际范围深水系泊技术研 究的焦点和热点。在新材料系缆的研发方面，主要集中在高性能人工合成纤维材 料，包括聚酯、芬芳聚酰胺、高模量聚乙烯、尼龙等，研究它们在不同编织结构 由 天津大学硕士学位论文第一章绪论 下的力学性斛1 1 。近年来国际海洋工程界非常推崇一种新型的绷紧索系泊系统， 由于使用新型的聚酯系缆，具有重量轻、回复刚度大、容易操作、系泊基础占用 的海床面积小等优点，在深水和超深水条件下的优越性和经济性非常明显。 在选用系泊缆绳时，虽然制造商可以提供一定的绳索力学参数，但往往与实 际情况有所差距，在使用到复杂的工程设计中时此数据还远远不足以取信。对于 这些问题的深入研究在国内外并不多见，但随着深海工程的逐渐深入，了解并掌 握系缆的强度性能、蠕变性能【2 1 、疲劳性能【3 】对于工程实际及理论研究具有重要 意义。同时，由于受海洋潮汐、洋流等因素影响，大直径长尺度系缆所受的水阻 尼力【4 】很大，并往往会使大型海洋结构物产生很大的横移量，造成海洋工程实际 困难。因此，海洋环境中的阻尼特性也逐渐受到广泛关注。 1 2 深海系缆力学性能的研究成果及现状 1 2 1 系缆静力特性研究现状 目前国内针对系泊系统缆索的力学性能还没有十分完善的研究方案和分析 方法，但对大型结构物系泊系统的研究工作已经取得了一些进展。 上海交通大学的李文龙和谭家华在文献【5 】中对超大型海洋浮式结构物系泊 系统的设计进行了一定程度的研究，通过对目前使用的大型海上结构物的介绍， 概括了其基本特点，并由模拟计算和实例论证推算了系泊系统设计的基本流程和 影响因素，而更为详细的数值模拟计算有赖于试验数据的获得，只有通过水池和 风洞试验取得详尽的实验数据后方可进行系泊分析。 大连理工大学和中国海洋石油渤海公司邹志利、张日向和张宁川( 2 0 0 2 ) 等 人在文献【6 】中对风浪流作用下系泊船系缆力和碰撞力进行了数值模拟，通过系泊 运动方程和系缆张力方程等计算和验证，得出风浪流条件下对系泊系统和系缆的 影响和极限条件，为工程应用提供了一定的参考。 大连海事大学于洋、刘锦程( 2 0 0 1 ) 等人在文献【7 】中对船舶系缆张力进行了 分析，定量介绍缆绳受力状况，推导出码头系泊船系缆的悬垂线方程，根据船舷 导缆孔和码头系缆桩的相对位置迭代计算出缆绳张力及系缆拉伸变形，并简要分 析了不同系缆长度情况下，船舶运动对缆绳张力的影响。模拟计算表明，长的、 弹性好的、单位长度重量大的系缆更有利于缓冲外力、吸收船舶动能，而短的、 弹性差的系缆不利于发挥其作用。 2 0 0 7 年天津大学刘海笑、黄泽伟在文酬8 】中对新型绷紧索系泊系统的发展情 况进行了介绍，且基于有限元数值分析技术，对系缆的绷紧松弛特性以及纤维 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 系缆的动刚度特性进行了分析和处理，并通过算例考察了深海平台运动引起的系 缆力响应。 2 0 0 7 年，天津大学的唐友刚、张若瑜，易丛，刘海笑在文献 9 1 亡p 通过考虑深 海平台系缆的拉伸形变及与海底的撞击力，采用集中质量法，建立系缆方程组， 并求解非线性系缆方程组，提出了系缆运动和动态张力的有效计算方法。结果表 明，系缆与海底之间相互作用力对于系缆运动和张力具有较大影响，计算系缆运 动和动态张力时，需要计入海底作用力的影响。 19 9 9 年h o u s t o n 召开的o t c 会议中，m i c h a e la a s l a n d 等人发表了文献，指出 纤维缆绳力学性能测试的多种方法和规范以及一系列验证标准，报告中介绍了目 前系泊纤维缆的主要材料性能和编制结构，以及纤维编配原则以及相关测试的标 准，作者还提出了一般测试系缆力学特性所需要的物理量以及测试方法和公式， 为系泊系统纤维缆的力学性能测试提供了方法和依据。 m i n g y a ol e e ，j o h nf l o r y ，r o dy a m 等人在19 9 9 年o t c 会议上发表文献【1 0 1 ， 他们根据自己的工作经验介绍了a b s 指南对人造纤维缆在系泊系统中性能的应 用，包括系泊系统设计规范，导缆孔处、末端交接处的材料性能规范，单丝、绳 索测试和生产的方式和规程等，于此同时，保养和维护的内容也有所涉及，为对 系泊系统的研究提供了数据和规范。 有关人工合成纤维缆绳的蠕变性能研究，国内尚未找到相关研究成果。对于 一些其他领域的材料蠕变性能，国内相关领域学者进行了一些研究工作。 2 0 0 6 年，北京航空航天大学的李典森、卢子兴等人在文献【l l 】中对不同编织结 构、不同编织角、不同纤维体积含量和不同应力水平下的三维编织复合材料试件 进行了蠕变测试实验，研究了三维编织复合材料的蠕变性能。研究表明编织角小 的材料抗蠕交性能较好，纤维体积含量高的材料抗蠕变性能较好，且材料所受应 力水平越高，蠕变速率越高。文中还提出用幂指函数可以较好地拟合三维编织复 合材料的蠕变曲线。 2 0 0 4 年，北京航空航天大学的张少波、傅惠民在文献【l2 】中通过大量实验分析 发现，蠕变持久寿命实验数据经加权累加变换后，能够很好地呈现出幂函数变化 规律。并建立蠕变持久寿命幂函数预测模型，运用最小二乘法确定模型中的待定 参数，拟合出蠕变持久曲线，反映蠕变持久变化趋势，实现长期蠕变寿命的高精 度预测。 d a v i e sp ，h u a r dg 等人 2 1 在2 0 0 0 年o t c 会议上发表了研究报告，主要介绍了 系缆的蠕变和松弛，提出了纤维缆的粘弹性行为，并给出了丝、股和缆绳的蠕变 测试方法和蠕变断裂的控制系统等内容。在蠕变的测试中，载荷要按照最大破断 力的百分比进行恒定加载，然后观察试件的变形，从中找到规律，同时，还对蠕 天津大学硕士学位论文第一章绪论 变曲线进行拟合，得到蠕交公式。此外，文章对卸载的测试也有介绍。 1 2 2 系缆水阻尼特性研究现状 关于系缆的水阻尼特性研究，国内尚没有查阅到相关文献，国外相关研究正 在进行中。对于流体环境中的阻尼特性实验研究及数值模拟始于上世纪七八十年 代，国内一些学者对于其他领域材料的阻尼特性研究做出了一些工作，相关研究 方法及经验值得借鉴。 2 0 0 6 年，西安电子科技大学的王卫东、贾建援在文献【l3 】中对中心开孔圆盘的 阻尼特性进行了实验研究，分析了圆盘的运动阻尼与缝隙大小，中心孔径，圆盘 厚度的关系，给出了合成阻尼的解析表达式，通过修正动量协调系数得到等效粘 度并计算微流体对运动物体的阻尼力，同时用有限元方法数值计算进行验证。 2 0 0 8 年，北京理工大学王文瑞、顾亮等人在文献【1 4 】中对可控叶片式减振器阻 尼特性进行了分析，建立了可控叶片减振器流体力学模型，用理论分析和实验拟 合相结合的方法来研究减振器的阻尼特性，并用仿真计算结果进行验证。 2 0 0 0 年，f g n i e l s e n , a u b i n d i n g b o 等人在a p p l i e do c e a nr e s e a r c h _ 上发表文 献1 4 1 ，对深水系泊缆绳阻尼特性进行了分析研究。根据系缆张力远大于浮力的假 设，得到了系缆粘滞阻力产生的缆绳张力及阻尼方程。从而得到最大张力及系缆 阻尼力的近似表达式。将此理论近似结果与有限元计算结果及模型试验进行比 较，对比情况良好，结果表明，此方法可计算出系缆张力及阻尼等主要力学参数。 该近似法计算方便快速，适于在初期深水弦系泊系统设计阶段估算系缆阻尼。 如上所述，国内对于系缆力学性能的研究处于起步阶段，国外相关研究取得 了一定进展。但总体而言，系缆力学性能体系尚未建立完善。随着系泊技术的发 展，研究系缆静力强度、蠕变、水阻尼等力学性能并由此建立一套可靠的检测、 分析评价体系已成为海洋工程界及广大学者的研究目标所在。 1 3 本文的主要工作 综上所述，深海系缆力学性能研究虽已取得了一些研究成果，但针对系缆力 学性能并未得到统一的结论，相关检测及评价准则也未建立起来。本文对于深海 系缆力学性能进行了一些研究，内容如下： l 、开展系缆强度性能实验研究，对影响系缆静力强度性能的湿度、加载速 率因素进行分析，总结系缆屈服强度、破断强度随加载速率的变化规律。对比干、 湿环境下系缆强度性能。为进一步研究系缆其他力学性能打下基础。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 2 、设计实验卡具及加载装置，改造实验设备，对系缆静力蠕变特性进行实 验研究，分析系缆蠕变现象，研究不同应力下蠕变特性，采用函数拟合的方法对 蠕变曲线进行拟合，总结系缆蠕变实验一般规律。 3 、自主设计并建造系缆水阻尼特性实验平台，模拟海洋环境对系缆水阻尼 特性进行实验研究，分析系缆水阻尼力随水流速度的变化规律。同时简化模型， 进行圆柱绕流分析及c f d 软件数值计算，将计算结果与实验结果进行比较，总 结系缆水阻尼特性一般规律。 天津大学硕士学位论文第二章深海系泊系统简介及系缆力学性能研究基础 第二章深海系泊系统简介及系缆力学性能研究基础 2 1 深海系泊系统简介 浮式生产储卸油系统是f l o a t i n gp r o d u c t i o ns t o r a g ea n do f f l o a d i n gs y s t e m 的 直译，有时简称浮式生产系统，我国大多称其为浮式生产储油装置，简称f p s o 。 f p s o 是集海上油气生产、储存、外输、生活、动力于一体的长期系泊于固定海 域的浮式生产系统。f p s o 是一个技术密集的海上采油的重要设施，通过单点系 泊系统固定在海上，可随风、浪、流的作用进行3 6 0 度全方位自由旋转，适用于 深水油田开发，作业水深可达2 0 0 0 米以上。 f p s o 是由上部模块、船体和系泊系统三个部分组成，而实际上f p s o 的组 成与其功能密不可分，这里着重介绍下系泊系统。根据不同海域和海况条件，目 前世界上f p s o 主要采用的系泊方式有单点一转塔系泊系统和多点伸展系泊系 统。 f p s o 的系泊方式以单点系泊系统的应用最为普遍。单点系泊系统分类方法 众多，美国船级社a b s 将单点系泊系统分为：悬链锚腿系泊系统、单锚腿系泊 系统、转塔式系泊系统和软钢臂四大类。多点伸展系泊系统与单点系泊系统不 同，多点系泊系统的系泊和传输功能不是一个整体，而是各自独立的。系泊链直 接与f p s o 相连，液体传输模块通常悬挂在f p s o 的舷侧，由管汇终端( p l e m ) 作为立管与f p s o 的连接界面。另外，该系泊方式没有风向标的功能，也不需要 旋转接头。 f p s o 系泊系统设计的使用周期通常是1 0 0 年。一般来说，系泊方式的选择 是根据系泊力的大小、水深、系索长度、是否配置中间浮体或沉箱、地形和海床 条件确定的【1 5 1 。对不同的超大型结构物，其用途不同，因而系泊方式各异。通常， 在收集超大型结构物的设置海域气象海象等环境数据后，对各种系泊方式进行模 型试验和数值模拟，最后确定一种合适的系泊方式。 2 2 系泊缆绳 众所周知，在开采海洋资源时我们经常采用海洋船舶、海洋钻井平台等系泊 结构，这类系泊结构使用的是传统的钢悬链式系泊结构，它们是以钢环或者钢缆 天津大学硕士学位论文 第二章深海系泊系统简升及系垃力学性能研究基础 为载体，系统主要依靠自身的重量和几何结构来提供回复力 但是这种结构有其显著的缺点： ( 1 ) 水中钢绳的重力必须通过平台所受的浮力来抵消， 负荷，减少了其实际使用吨位， 来控制平台位置 这样就增加了平台 ( 2 ) 在恶劣海洋环境中会产生很大的水平偏移量，不利于定点系泊的控制。 ( 3 ) 随着水深的增加，铜缆绳的重量问题愈演愈烈。 ( 4 ) 一旦脱落或断裂，造成的隐患多。 ( 5 ) 钢结构构成造价昂贵，经济效益差。 目前的新型系泊系统是一种使用纤维缆绳为载体的系泊结构。纤维缆凭借重 量轻，刚度大，造价低和安全隐患小等突出优点赢得了诸多青睐。这种结构的系 泊系统正广泛应用于深海资源开采。作为新型系泊系统的主要部件，纤维系缆占 据着整个系统中至关重要的位置，它是系统受力的主要部分1 1 q 。 目前用于纤维系缆的纤维类型主要有：聚乙烯，芬芳纤维，高模聚乙烯，以 及尼龙。一般市面上可以买到的主要有：锦纶系列、丙纶系列、涤纶系列、涤纶 厢纶混合、芳纶纤维、高分子聚乙烯纤维、防静电纤维绳等。每种纤维缆绳一 般都有不同的尺寸和编制结构当然也存在很多其他类型的缆绳。系泊结构中一 般可以用到3 种缆绳结构，即：平行扭转绳、平行编制绳、3 6 殷绳( 钢丝绳结 构) 。咀下是几种典型的纤维缆绳编制结构： 图2 - 1 平行丝结构 图22 平行扭转结构 天津大学硕士学位论立第二章耀海系泊系统简介及系缆力学性能研究基础 圈2 - 53 6 股结构 不同的编制结构所拥有的性能不一样，多丝的、多股的、带绳芯的组合再加 上适当的外部编制层均能够在不同程度上提高绳索的力学性能。 2 3 系缆力学性能研究方法 纤维缆绳力学性质和行为的研究应该包括测试纤维绳缆的强度、刚度、蠕变、 疲劳以及水环境阻尼特性等相关问题的研究。本文将对纤维缆绳的强度性能、蠕 变性能、水环境阻尼特性进行试验研究。 1 、强度测试： 通常在购买缆绳时，生产厂商会提供相应的缆绳破断强度，但此数据往往与 实际情况具有差异，仅可作为测试时的一个参考通过测试测得的实际破断力在 甾 氡镬嘎鐾麟 天津大学硕士学位论文第二章深海系泊系统简介及系缆力学性能研究基础 以后的测试中作为基础参考值，可以使得到的数据具有更好的可靠性。可对整绳、 单股、单丝进行强度测试，研究加载速率、捻距( 绳中同股间距，用于衡量捻制 绳松紧度) 、温度对系缆绳破断强度性能的影响。此外，还可在干、湿环境中进 行测试，研究水环境对纤维绳破断性能的影响。测试中对样本系缆随机选择3 个 样本进行测试以得到比较准确的统计平均值。 2 、蠕变测试： 作为系缆力学性能中的重要组成部分，系缆蠕变性能是指缆绳在定载荷作用 下随时间的伸长。系缆绳蠕变特性为缆绳粘弹性质的组成部分，对缆绳刚度会产 生影响，且在应力强度较高的条件下，系缆绳会发生蠕变断裂。因而研究蠕变性 能对系缆安全具有重要意义。 蠕变现象是高载荷( 6 0 - 7 0 破断载荷) 循环疲劳破坏的主要形式之一，为 了研究纤维缆绳在应用于系泊系统时的粘弹性性质，对缆绳绳丝及单股进行蠕变 实验，研究系缆蠕变现象，总结蠕变规律。 3 、水阻尼特性实验 一 黏性流体绕物体流动时，物体一定受到流体的压强和切向应力的作用，这些 力的合力一般可分解为与来流方向一致的作用力f d 和垂直于来流方向的作用力 f l 。绕流物体的阻力由两部分组成：一部分是由于流体的黏性在物体表面上作用 着切向应力，由此切向应力所形成的摩擦阻力；另一部分是由于边晃层分离，物 体前后形成压强差而产生的压差阻力。摩擦阻力和压差阻力之和统称为物体阻 力。对于圆柱体和球体等钝头体，压差阻力比摩擦阻力要大得多；而流体纵向流 过平板时一般只有摩擦阻力。虽然物体阻力的形成过程，从物理观点看完全清楚， 但是要从理论上来确定一个任意形状物体的阻力，目前还只能在风洞中用实验方 法测得。 本文采用模型实验n 钉结合f l u e n t 数值模拟计算的方法对系缆水阻尼特性 进行研究。建立了包括水槽、机架、动力系统、传动系统、操作控制系统、测试 系统、防护罩等结构的实验平台。依托系缆水阻尼实验平台模拟海洋环境，测量 系缆在水中运动速度及系缆所受阻尼力。根据实际情况，设计尺寸为 4 3 x 0 5 x 0 5 的水槽以模拟海洋水环境，将系缆固定夹持在能运行在固定轨道小 车上，通过控制小车的运行速度来控制系缆绳相对于水的运行速度，并以此建立 系缆在深海中受洋流冲击的力学模型。实验中，通过控制交频电机与变频器可实 现系缆绳运行速度连续可调，同时，同步跟踪小车运动，用光电编码器进行运动 参数测试，实现系缆绳速度精确测量。经过严格力学模型分析，在小车上关键部 位通过电测方法粘贴应变计，运用无线传感技术将应变信号传输到计算机采集系 统上，实现系缆阻尼力的测量。 天津大学硕士学位论文第二章撵海系泊系统简介及系缆力学性能研究基础 此外，用f l u e n t 软件仿真计算简化的系缆绳圆柱体模型，计算出模型速 度场及压力场，并得到缆绳所受阻尼力的阻力系数。 将实验测量值与数值计算结果进行比较，总结系缆水阻尼特性一般规律。 2 4 实验测试件及仪器设备 强度及蟠变实验中对现有j w l - 1 0 k n 型电子拉力试验机进行改造，增加 数据采集系统，将试验机调速器控制线路、力传感器信号线、光电编码器信号线 连入电路板( 见图2 - 6 ) ，进入软件系统界面，实现可视化界面控制。由于系缆绳 属于柔性试件，受载后变形量大，界面迅速变小，卡头直接与试件接触时易打滑 且卡头上锯齿会对缆绳试件产生破坏，因此常规夹持固定方法并不适用。经过广 泛调研，对系缆整绳进行编制处理( 见图2 7 ) ，并自主设计改良型试验机卡头( 见 图2 8 ) 及缆绳固定夹头( 见圈2 - 9 ) 以改善系缆绳固定方式。改进卡头、夹具 等设备，完善测试方法后，即可开始实验并采集数据。 囤2 - 6 数姑采集系统电路扳 田2 7 缆绳犏制方式 天津大学硕士学位论文 第二章深海系泊系统简介及系缆力学性能研究基础 凸d b 图2 - 8 改进的卡头图2 - 9 缆绳夹具 强度实验中，通过施加不同加载速率，干、湿环境对比，对系缆试样破断强 度及屈服强度进行研究，分析总结影响系缆强度性能的因素，并得出系缆强度实 验一般规律。 蠕变实验中，根据强度实验中得到的实际破断力，给出适当蠕变载荷，并保 持载荷稳定性，记录变形随时间变化情况，对系缆样本绳丝、单股分别进行蠕变 特性试验，得出典型蠕变现象，总结系缆蠕变规律。 水阻尼特性实验中，独立设计并制作水阻尼实验平台，加工水槽、实验架、 动力系统、传动装置、测试系统、保护系统等实验装置和设备( 详见第五章) 。 通过模拟系缆在海洋环境中的运动情况，测试系缆所受阻尼力，研究缆绳水环境 中阻尼特性。 2 4 1 测试试件 系缆绳的主要结构标准应包括：纤维丝、丝( 有心为生产商制造，通常由很 多纤维丝构成) 、绳丝( 由多丝组成) 、股( 由较粗丝捻成) 、次绳( 由股捻成) 、 绳缆( 次绳或股捻成) 和包裹层。 强度实验中，从采购的各种缆绳试样中选取直径1 2 r a m 、四股捻制而成的丙 纶绳为试样，分别进行整绳、单股破断实验。蠕变实验中试样选用直径为1 6 m m 的捻制丙纶绳，分别进行单丝、小股、大股蠕变实验。水阻尼实验中采用直径为 1 6 n u n 的丙纶绳进行实验。 2 4 2 测试仪器及设备 ( 1 ) j w l 1 0 k n 型电子拉力试验机 ( 2 ) 拉压传感器 型号：c s f - 3 a 测量范围：3 t 安全过负荷率：1 2 0 f s 1 3 八州 天津大学硕士学位论文 第二章深海系泊系统简介及系缆力学性能研究基础 激励电压：1 0v d c 输出灵敏度：2 0 6 8 m v ( 3 ) 大变形引伸计 量程：1 2 m 灵敏度：0 0 1 r a m ( 4 ) m 2 1 1 数据采集系统 ( 5 ) 光电编码器 型号：t y s l 4 1 m - 8 z 一2 6 f 额定转速：2 0 0 0 r m i n 额定转矩：5 7 3 n m 线数：2 0 0 0 p r e v ( 6 ) 变频器 型号：v f d 0 0 7 m 2 3 a输出频率：0 1 4 0 0 h z ( 7 ) 电阻应变计 型号：c h 3 5 0 3 f b ( 2 3 ) l 电阻：3 5 0 q 0 5 灵敏系数：2 1 4 7 1 ( 8 ) 无线传感器 ( 9 )自主设计的水阻尼特性实验平台 天津大学硬士学位论文第三章系泊缆绳强度性能测试 第三章系泊缆绳强度性能测试 3 , 1 测试方法和条件 选取直径1 2 f n i n 的丙纶样本缆绳进行单股、整绳静力强度测试。设定不同加 载速率分别进行整绳破断实验，得到系缆绳随加载速率改变而发生的强度破断性 能变化规律；模拟海洋水环境对样本缆绳进行静力强度实验与干燥环境下缆绳 进行对比，得到水环境对系缆绳破断强度的影响。多次重复进行实验，根据统计 规律进行实验数据蛀理，总结规律并得出结论。 由于股及整绳直径差别较大，且实验中试件变形很大，截面迅速变小，需要 采用的固定方法也不同。对整绳采取编织及螺栓固定的方法，将整绳同定在经过 改善的拉力试验机主卡头上。经过检验整绳断口均在试件中部，此法不会在试 件两固定端产生应力集中，固定效果庭好。单股直径不大。且不易进行编织，因 此采用缆绳直接缠绕在螺栓上，将螺栓固定在试验机卡头上，并将大号螺母固定 在卡头的两个锯齿之间咀防卡头锯齿对试件产生破坏。 将缆绳试件固定好，运行软件系统( 见图3 - 1 ) ，设定加载速率4 0 m 州曲 调整固定卡头的纵向位置，使绳缆试件处于自然绷紧状态，然后将大变形引伸计 夹持在试件试验段部分，试验段标距5 0 m m ，准备就绪后，系统清零，点击运行， 开始拉伸实验，同步观察力值和变形血线图，直至缆绳试件破断。 e i _ _ _ _ - _ i _ _ e $ 2 同硐瞪吕【0 1 摹i 观瞵留 _ = _ 一；州i o 寸是o ! 奠卦上! _ 二j ! 芏上型旦二l ! 一三型 ! 蜊# o p 面i 高i 矗= = ! 息 匪需卫要 雾， 图3 1 系统操作界面示意图 r 1 5 - 天津大学硕士学位皓文 第三章系泊缆绳强度性能测试 一施 | _ ：- i i i ； 盖 图3 4 例目分析 天津大学硕士学位论文第三章系泊缆绳强度性能测试 相关参数及公式如f 设定每个缆绳试样试验段长度为l 、试样初始直径为d 、屈服直径为d 。、 破断瞬间直径为d ：、屈服变形为a l 。、破断变形为a l ：、屈服力为f l 、破断力f 2 ， 由此可计算得以下物理量： ( 1 ) 截面积s = 万( d 2 ) 2 屈服截面积s l = 万( d l 2 ) 2 破断截面积s 2 = 万( d 2 2 ) 2 ( 2 ) 应变占：竽 屈服应变q = t a l l破断应变乞= t a l 2 ( 3 ) 截面应力仃= 詈屈服应力q = ”r ” 名义破断应力仃22 _ s 2 l 实际破断应力2 s r _ l ， ( 4 ) 弹性模量e ：一o r 3 2 系缆强度性能测试 系缆绳线强度实验曲线分为四个阶段，包括线弹性阶段、屈服阶段、强化阶 段和颈缩破断阶段。单股测试中曲线较为平滑，整绳测试中由于绳缆直径较大， 且属于柔性试件，固定加载后缆绳发生细小滑移，因此曲线中出现波动，但对其 屈服强度及破断强度影响不大。 6 善4 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 03 5 04 0 0 l ( m m ) 图3 - 5 整绳4 0 哪速率下强度曲线 天津大学硕士学位论文第三章系泊缆绳强度性能测试 表3 1 整绳4 0 m m 速率下强度实验数据 绳1绳2绳3 加载速率( m m m i n ) 4 0 实验段长度( m m ) 5 05 05 0 初始直径( r a m ) 1 21 21 2 屈服直径( r a m ) 8 78 28 5 破断直径( m m ) 7 6 9 7 初始截面积( r a m 2 ) 1 1 3 11 1 3 11 1 3 1 屈服截面积( 衄? )5 9 4 55 2 8 15 6 7 5 破断截面积( 衄2 ) 3 8 4 83 7 3 93 8 4 8 屈服变形( r a m ) 9 09 59 3 破断变形( 1 l l l l l ) 1 2 01 2 51 1 0 平均破断变形( r a m ) 1 1 8 3 延伸率 1 4 0 1 5 0 1 2 0 屈服力( k n ) 6 4 76 5 86 5 破断力( 1 【n ) 7 3 6 27 4 0 97 3 0 3 平均破断力( 1 【n ) 7 3 5 8 名义破断应力( g p a ) 0 0 6 5 0 9 8 3 80 0 6 5 5 0 8 40 0 6 4 5 7 11 7 6 实际破断应力( g p a ) 0 1 9 1 3 2 0 1 6 60 1 9 8 1 5 4 5 8 70 18 9 7 8 6 9 0 2 平均破断应力( g p a ) 0 1 9 3 0 3 3 弹性模量( g p a ) 0 13 4 5 6 6 8 6 3o 13 8 8 6 2 5 8 90 1 3 3 1 8 3 0 7 6 1 8 天津大学硕士学位论文 第三章系泊缆绳强度性能测试 3 3 系缆强度性能影响因素及其规律 3 3 1 加载速率对系缆破断强度的影响 ( 一) 各加载速率下系缆试样强度曲线 8 6 喜4 函 2 o 7 6 5 喜4 3 2 0 o5 0 1 0 01 5 02 0 02 5 03 0 03 5 04 0 0 l ( m m ) 图3 - 64 0 m m m i n 加载速率 o5 010 01 5 02 0 02 5 03 0 0 3 5 0 l ( m m ) 图3 76 0 r a m r a i n 加载速率 1 9 天津大学硕士学位论文第三章系泊缆绳强度性能测试 05 01 0 01 5 02 0 0 2 5 03 0 0 l ( r a m ) 图3 810 0 m m m i n 加载速率 表3 2 不同加载速率下实验数据对比 干环境 绳1 绳2绳3 加载速率( m m m i n ) 4 06 01 0 0 实验段长度( m i l l ) 5 05 0 5 0 初始直径( m m ) 1 21 21 2 屈服直径( m m ) 8 78 68 破断直径( m m ) 777 初始截面积( m m 2 ) 1 1 3 11 1 3 11 1 3 1 屈服截面积( m f f )5 9 4 55 7 0 95 5 2 7 破断截面积( 衄? ) 3 8 4 83 8 4 83 8 4 8 屈服变形( m m ) 9 09 29 2 破断变形( m m ) 1 2 01 1 81 1 4 延伸率 1 4 0 1 3 6 1 2 8 屈服力( 1 【n ) 6 46 46 5 破断力( k n )7 3 6 2 7 0 56 7 8 名义破断应力( g p a )