海底光缆锚害的有限元分析

海底光缆锚害的有限元分析林开泉1，王红霞1，刘红亮1，邱天2（1.海军工程大学电子工程学院，湖北武汉430033；2.92146部队，广东湛江524088）摘要：船锚造成的海缆故障非常普遍，船锚的钩挂是造成海底光缆故障的主要原因，对海底光缆的锚害研究迫在眉睫。

首先建立了船锚钩挂海缆的有限元模型，进行了船锚钩挂海缆的仿真，然后通过分析海缆受到船锚钩挂后的变形和应变，研究了海缆各组成部分抗船锚钩挂的能力、船锚损害海底光缆的机理以及海缆结构与抗船锚钩之间的关系，得出了相关的结论。

关键词：海底光缆；船锚；钩挂；有限元中图分类号：TN818文献标识码：A文章编号：1672-6901（2010）06-0031-04Finite Element Analysis of the Anchor-Caused Faulton the Submarine Optical Fiber CablesLIN Kai-quan ，et al（University of Navy Engineering ，Institute of Electronic Engineering ，Wuhan 430033，China ）Abstract ：The anchor-caused fault on the submarine optical fiber cable （SOFC ）is a frequent occurrence.And drag-ging by anchor is the main cause.It is urgently needed to investigate the anchor-caused fault on SOFC.A finite ele-ment model was built to simulate the reaction between the anchor and SOFC.The capability of the individual cable el-ements against dragging by anchor ，mechanism of the anchor-caused fault on SOFC and relationship between the cable construction and the anti-anchor capability were investigated by analysis of the stress and strain of the cable dragged by the anchor.Correlative conclusions were made.Key words ：submarine optical fiber cable ；anchor ；dragging ；finite element收稿日期：2010-05-06作者简介：林开泉（1985－），男，硕士研究生.作者地址：湖北武汉市解放大道717号［430033］.0引言随着海底光缆线路数量的不断增加，海底光缆在近海区域由于船锚钩挂造成的故障越来越严重。

渔船作业船锚和航运船锚造成的海缆故障占海缆故障的80%左右，其中渔船作业船锚造成的海缆故障占到了海缆故障的60%以上，航运船锚造成的海底光缆故障占到了海缆故障的15%以上［1］。

为了减少海缆故障率，保证海底光缆的通信通畅，对海底光缆锚害的研究非常必要。

有限元法是研究复杂结构线性和非线性问题的有效方法。

把有限元法运用于海底光缆锚害的研究，可以模拟船锚损害海缆的过程，分析海缆受到船锚损坏的原因以及海缆结构和抗船锚钩挂能力之间的关系。

本文船锚钩挂海缆的有限元分析的建模选择ANSYS 软件的ANSYSLS-DYNA 模块，计算在LS-DYNA Solver 里完成，后处理选择LS-PREPOST 软件。

1有限元法及有限元分析软件有限元法（Finite-element Method ）是一种离散化的数值方法，离散后的单元与单元之间只通过结点联系，所有的力和位移都通过结点进行计算。

对于每个单元，适当地选取插值函数，使得该函数在子域内部、内部边界分界面上，以及外部边界分界面上都满足一定的边界条件，然后把所有单元的方程组合起来，得到整个结构的方程，求解这个方程，就可以得到整个结构的解［2］。

比较常用的有限元软件是ANSYS 和LS-DY-AN 。

ANSYS 被广泛运用于机械、能源、航天航空、交通运输、土木工程、水利、电子、医学、生物等领域，是容结构、流体、电磁场、热、声场和耦合场为一体的大型通用有限元软件［3］。

LS-DYNA 是世界上最著名的通用显式动力分析软件，在工程领域被认为是最佳的分析软件，其计算结果真实可靠［4］。

1996年LSTC 公司与ANSYS 公司合作推出了ANSYS /LS-DYNA ，大大增强了LS-DYNA 的分析能力，使得LS-DYNA 用户可以充分利用ANSYS 的前后处理功能。

LS-PREPOST 的后处理功能强大，在船锚钩挂海缆的有限元分析中，使用该软件不但可以显示海缆及其各个组成部分受到船锚钩挂后的损坏情况，还可以显示实体各个有限元单元的应力（Stress）、应变（Strain）和作用力（Force），除此以外，还能以切片的形式显示海缆截面在各个时间步的形态，并且可以输出动画，以动画的形式把船锚钩挂海缆的整个过程给显示出来。

2船锚钩挂海缆的有限元建模和仿真过程2.1海缆和船锚几何参数和实体属性的确定船锚的质量为1000kg，锚齿半径为125mm，本文仿真选用的海缆是一层内铠装加一层外铠装钢丝的海缆，海缆各部件的几何参数见表1［5］。

表1海缆各部件几何参数部件名称几何参数中心钢管内/外直径3mm/3.2mm聚乙烯护套内/外直径7.2mm/19.2mm聚丙烯绳内/外直径19.2mm/21.2mm内铠钢丝直径2mm内铠钢丝根数8外铠钢丝直径 3.2mm外铠钢丝根数16本次有限元分析中，海缆各部件和船锚的单元类型均采用solid164模型。

solid164是3维的实体单元，由8个节点构成。

海缆的各部件使用与应变率相关的塑性随动模型，其屈服应力用Cowper-Sym-onds应变率参数σY表示［4，7］：σY =1+ε()C1[]P（σ0+βE Pεeff P）（1）式中，σ为初始屈服应力；ε为应变率；C和P为应变率参数，εeffP 为有效塑性变形；β为硬化参数；EP为塑性硬化模型。

该模型需要输入的参数为密度、弹性模量、泊松比、屈服强度和切线模量；船锚使用刚体（rigid）模型，需要输入的参数为密度、弹性模量和泊松比，各部件的材料参数见表2［4-7］。

表2海缆和船锚的材料参数部件名称密度/（kg/m3）弹性模量/GPa泊松比中心钢管7.85ˑ1031800.3铠装钢丝7.85ˑ1031800.3聚乙烯护套0.943ˑ1030.90.4聚丙烯绳0.87ˑ1030.80.35船锚7.85ˑ1031800.3中心钢管和钢丝的屈服强度均为350MPa，切线模量为50GPa；聚乙烯的屈服强度为10MPa，切线模量为5GPa；聚丙烯的屈服强度为8MPa，切线模量为4GPa［4-7］。

2.2海缆及船锚有限元模型的建立在进行有限元建模时，主要采用的是参数化编程语言（APDL）进行参数化建模。

这种建模方式与图形化编程（GUI）建模方式相比，优点是模型的再修改能力强。

建立实体模型后需要对各实体模型进行网格划分，ANSYS软件包括四种网格划分的方法：自由网格划分、映射网格划分、延伸网格划分和自适应网格划分［8］。

本次网格的划分中，因海缆各部件需要均匀的网格划分，故采用延伸网格划分的方法；船锚是刚体材料模型且网格数量大，故采用自由网格划分的方法。

海缆和船锚建模和网格划分后的效果如图1和图2所示。

图1海缆有限元模型图2船锚及海缆建模和网格划分后效果图2.3有限元分析接触的定义和载荷的施加船锚钩挂海缆的有限元分析中的接触包含钢丝绳之间的接触（包括内层钢丝绳间接触、外层钢丝绳间接触以及内外层钢丝绳间接触），聚丙烯绳与钢丝、钢丝与聚乙烯护套、聚乙烯护套与钢管、船锚与聚丙烯绳间的接触。

这些接触类型为面面接触（STS）。

面面接触是一种通用算法，用于处理物体间有大量的相对滑动。

LSDYNA施加载荷包括三个步骤［4］：将模型中受载的部分定义成组件（PART），定义时间间隔和对应载值的数组参数（Array Param-eters），将载荷施加到模型的受载部分。

本文加载的载荷是位移载荷，每一个时间步长为0.15ˑ10－3s。

·23·3船锚钩挂海缆的有限元仿真结果及分析定义好接触和施加载荷后，将求解信息写入K文件，然后再在LS-DYNA 求解器中进行求解，最后用LS-PREPOST 进行后处理，海缆受到船锚钩挂后的变形如图3所示。

图3海缆受船锚钩挂后的变形图从图3可知，在船锚钩挂处，海缆受到船锚钩挂后其外层开裂，海缆被压扁并产生弯曲，海缆的外铠装钢丝和聚乙烯护套的破损（见图4）。

图4海缆外层铠装钢丝及聚乙烯护套破损图从图4可知，外铠钢丝被拉散，与船锚充分接触部分的钢丝被拉断，聚乙烯护套在船锚钩挂处被彻底拉断。

海缆内铠钢丝及中心钢管的变形见图5。

图5海缆内层铠装钢丝及中心钢管变形图从图5可知，内铠钢丝（上）和中心钢管（下）发生了严重的扭曲，并且两者扭曲高度一致。

这说明海缆在受到船锚钩挂的时候，张力会被传递到锚钩挂点的周围，即海缆除了受到径向侧压力也受到轴向拉力的作用。

由于内铠钢丝和钢管之间没有缓冲介质层隔开，因此中心钢管受内铠钢丝的影响很大。

图4、图5对比可以看出，外铠钢丝被拉散和发生断裂，但内铠钢丝并未被拉散和发生断裂，内外两层铠装钢丝由于聚乙烯护套的隔开，没有了两层钢丝间的滑动和直接摩擦，因此，内层铠装钢丝受外层铠装钢丝的影响铰小。

内外两层铠装钢丝在锚钩挂处的有限元单元应变曲线如图6所示。

图6海缆钩挂处内外铠装钢丝有限元应变曲线图6中，三角形、正方形标记的曲线分别为外铠钢丝和内铠钢丝有限元单元的应变曲线。

由图6可知，内铠比外铠在同一时刻的有限元单元应变小得多，外铠有限元单元应变最大为0.5，而内铠最大仅为0.25。

这说明当外铠钢丝受到损坏时，内铠钢丝仍然还具有抵抗外力的能力，内铠装海缆的结构可以很好地发挥第二层铠装钢丝的作用。

通过显示缆芯的切面图，可以清晰地看到海缆的缆芯的变形情况，如图7所示。

图7缆芯切面变形图从图7可知，当海缆受到船锚钩挂后，内层铠装钢丝在巨大的侧压力作用下相互挤压，而中心钢管的厚度很薄，钢丝和钢管之间又没有缓冲介质隔开，钢丝直接把力作用在钢管上，导致海缆的中心钢管被彻底压扁，进而导致光纤断裂和通信中断。