脐带缆作为上部浮体平台和水下生产系统装备的重要连接,有着“深海生命线”的美誉.其在位运行过程中,不断将控制信号、电气液压动力和化学药剂进行传输[1 ] .上述功能分别由多种功能构件实现,包括电缆、光缆、钢管等,将功能构件按功能需求进行整合后,增加填充构件螺旋缠绕组成脐带缆内核,在内核外根据需求增加铠装钢丝作为抗拉铠装层,最后使用聚乙烯材料作为护套形成所需的脐带缆.
由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型.
综上所述,当前的研究主要集中于已完成填充的截面进行分析,且目前填充的设计主要依据工程经验,还未见如何实现脐带缆截面自动填充以提升结构性能的研究报道.因此,本文基于拟物算法设计脐带缆截面构件布局优化流程,并引入填充策略.在确保脐带缆内核径向刚度的前提下,对填充优化设计方法开展了研究,并通过数值仿真验证了本文所提出的基于拟物算法脐带缆截面布局自动填充优化设计方法的可行性.
1 脐带缆截面布局设计多目标优化模型
为便于问题描述,将脐带缆截面功能构件简化为圆盘,通过改变圆盘在截面中的位置可形成不同的截面布局.考虑到脐带缆真实截面的复杂多样,为建立优化模型做出以下假设:
(1) 脐带缆在运输和在位运行过程中会收到拉伸和挤压而发生形变,该形变一般较小,不会对脐带缆的使用造成影响.
(2) 脐带缆受拉力作用时,铠装钢丝向中心收紧,对脐带缆内核产生挤压,简化为沿脐带缆内核外壁承受径向载荷,载荷大小一致,方向指向截面几何中心.
1.1 设计变量
脐带缆截面示意图如图1 所示,为了便于描述截面布局问题可将铠装层忽略,提取内核并以其为研究对象,其简化提取如图1(a) 所示.假设脐带缆内核包含l 根半径为R s 的钢管、m 根半径为R e 的电缆和n 根半径为R o 的光缆,以脐带缆内核截面中心为原点建立笛卡尔坐标系,脐带缆截面内核各构件圆心位置坐标示意图如图1(b) 所示.基于所设定的坐标系,Ps i 为第i 个钢管构件的中心位置;Pe j 为第j 个电缆构件的中心位置;Po k 为第k 个光缆构件的中心位置.
图1
图1
脐带缆截面示意图
Fig.1
Cross section of umbilical
1.2 目标函数
1.2.1 紧凑性
对于深海所用的几千米长的脐带缆,其结构尺寸缩小10%,其自重减小量可达数吨,同时对脐带缆所受张力减小效果显著[10 ] .脐带缆设计规范[11 ] 中关于脐带缆截面布局设计部分均要求尽可能紧凑.当脐带缆在位运行时受到拉力载荷作用时,内核的径向变形量对铠装钢丝的轴向变形量产生影响,进而影响脐带缆抗拉性能,这要求脐带缆内核具备一定的径向刚度用于提供径向支撑.因此需要给出脐带缆截面的一种紧凑布局,即要求找到给定功能构件的最小包络圆半径R 尽可能小[3 -4 ] .以拟物方法为基础,基于此目标建立相应物理模型即汇聚力模型.为便于模型的建立,假设存在一个位置固定且刚性的椭圆抛物面;再假设各个构件为不同材质的弹性小球,构成了一个系统.
借鉴物体沿斜面下滑的物理现象,小球受到重力作用,沿曲面向下运动,如图2 所示.
图2
图2
脐带缆构件物理模型示意图
Fig.2
Physical modeling of converging forces in umbilical cable members
将沿曲面切线向下作用的重力分量FG i 称为汇聚力,该力推动球体向中心顶点聚集大小如下:
(1) $\boldsymbol{F}_{i}^{G}=\boldsymbol{G}_{i} K_{\theta i}$
式中:Kθi 为小球i 与椭圆抛物面接触点切线角度θ 的系数,用于控制汇聚力的大小;Gi 为小球i 受到的重力.
向xOy 平面投影后,球心坐标由Pi =(xi , yi , zi )转化为二维坐标系下的P'i =(x'i , y'i ),则基于二维坐标系各构件截面的中心位置如下:
(2) $\left.\begin{array}{l}{{P}^{\mathrm{s}}}_{i}=\left(x{\text{'}}_{i},\mathrm{ }y{\text{'}}_{i}\right), i=1,\mathrm{ }2,\mathrm{ }\dots,\mathrm{ }l\\ {{P}^{\mathrm{e}}}_{j}=\left(x{\text{'}}_{j},\mathrm{ }y{\text{'}}_{j}\right), j=1,\mathrm{ }2,\mathrm{ }\dots,\mathrm{ }m\\ {{P}^{\mathrm{o}}}_{k}=\left(x{\text{'}}_{k},\mathrm{ }y{\text{'}}_{k}\right), k=1,\mathrm{ }2,\mathrm{ }\dots,\mathrm{ }n\end{array}\right\}$
(3) $\boldsymbol{F}_{i}=m_{i} \boldsymbol{a}_{i}=\boldsymbol{G}_{i} K_{\theta i}$
式中:mi 为小球i 的质量;ai 为小球沿曲面切线向下的加速度.
为简化问题,将小球向下运动视为沿该点切线向最低点运动,功能构件汇聚力物理模型示意图如图3 所示.初始速度为0,则有位移公式:
(4) Xi =$\frac{1}{2}$ Kθi t 2
式中:Xi 为第i 个小球距离最低点的距离;t 为下落所需时间,所有小球下落时间相同.
图3
图3
功能构件汇聚力物理模型示意图
Fig.3
Physical model of converging forces
为避免在下降过程中由于小球初始位置过高浪费时间,希望所有小球下降耗时一致,参考阿基里斯悖论,将最低点视为结束点,则每一点的切线角度系数如下:
(5) $K_{\theta i}=\frac{2 X_{i}}{t^{2}}=\frac{2 \sqrt{\left(x_{i}^{\prime}\right)^{2}+\left(y_{i}^{\prime}\right)^{2}}}{t^{2}}$
1.2.2 平衡性
由于构件结构和材料力学性能的差别,不同构件的承载能力不同.当脐带缆截面布局承载能力不平衡时,个别构件易发生过载破坏,导致脐带缆疲劳寿命大大降低.因此,脐带缆截面排布应尽可能平衡[3 6] .本文基于截面构件的轴向拉伸刚度引入虚拟重力指标来描述截面布局的对称性,使构件虚拟重力指标G i
(6) $\boldsymbol{G}_{i}=E_{i} A_{i} \boldsymbol{I}$
式中:Ei 为第i 个构件的弹性模量;Ai 为第i 个构件的截面面积;I
在给定某一脐带缆的截面布局后,各构件的虚拟重力将在截面形成平行力系,如图4 所示.图中:G s i i 个钢管构件的虚拟重力指标;G e j j 个电缆构件的虚拟重力指标;G o k k 个光缆构件的虚拟重力指标;G rc 为各构件虚拟重力合力;Δ 为虚拟重心到截面几何中心的距离.
图4
图4
脐带缆截面各构件虚拟重力示意图
Fig.4
Virtual gravity on components in umbilical cross section
由此,脐带缆截面承载能力的平衡性可以根据Δ 来定义:
(7) $\Delta=\frac{\boldsymbol{G}_{i}^{\mathrm{s}} P_{i}^{\mathrm{s}}+\boldsymbol{G}_{j}^{\mathrm{e}} P_{j}^{\mathrm{e}}+\boldsymbol{G}_{k}^{\mathrm{o}} P_{k}^{\mathrm{o}}}{\sum_{i=1}^{l} \boldsymbol{G}_{i}^{\mathrm{s}}+\sum_{j=1}^{m} \boldsymbol{G}_{j}^{\mathrm{e}}+\sum_{k=1}^{n} \boldsymbol{G}_{k}^{\mathrm{o}}}$
为保证截面布局的平衡性能较好,所有构件的重心应尽可能接近整个截面的几何中心.基于此目标,建立拉力模型,假定虚拟重心与原点之间有一根初始长度为0的弹簧,当两点不重合时虚拟重心受弹簧拉力F dis 作用有向原点靠拢的趋势:
(8) $F^{\mathrm{dis}}=K_{\mathrm{dis}} \Delta \frac{-\boldsymbol{s}}{|\boldsymbol{s}|}$
式中:K dis 为弹簧的弹性刚度,用于控制拉力的大小;s 是从截面虚拟重心指向截面几何中心的向量.
为了判别虚拟重心是否与截面几何中心重合,引入弹簧的弹性势能U 1 进行衡量如下:
(9) $U_{1}=\frac{1}{2} K_{\mathrm{dis}} \Delta^{2}$
当U 1 =0时即Δ =0,此时虚拟重心与原点重合,符合布局平衡性要求.
1.2.3 热源分散性
脐带缆在位运行过程中,传输液压及电能会因电阻产生电损耗,进而产生大量热量,使得脐带缆温度上升.聚乙烯材料作为护套和填充大量使用,其性能与温度关系密切,严重影响着脐带缆的使用寿命.同时,电缆中铜作为导体,其电阻随温度升高而增大,导致电能利用率下降,增加水下生产系统的运行成本.电缆产生的热量取决于脐带传输的电流大小和电缆在脐带缆截面中的相对位置.在电流量一定的条件下,若电缆分布相对集中,则脐带缆内部容易产生较高的温度,可能导致脐带缆的失效.因此,脐带缆中电缆应尽量分散,即增大电缆间的相对距离.将电缆构件个数与电缆所围成面积的比值作为衡量散热性能的参数T :
(10) T =$\frac{m}{S\left({{P}^{\mathrm{e}}}_{1}{{P}^{\mathrm{e}}}_{2}\dots {{P}^{\mathrm{e}}}_{m}\right)}$
式中:S $\left({{P}^{\mathrm{e}}}_{1}{{P}^{\mathrm{e}}}_{2}\dots {{P}^{\mathrm{e}}}_{m}\right)$ 图5 所示.
图5
图5
脐带缆横截面热源分布示意图
Fig.5
Heat source distribution of the umbilical section
基于此目标建立排斥力模型,假定电缆小球带等量正电荷,按照库仑定律,电缆小球间产生排斥力${F}_{ji}^{\mathrm{r}}$
(11) Fr ji =$\frac{{K}_{\mathrm{T}}}{{O}_{ij}^{{\mathrm{e}}^{2}}}\frac{{r}_{\mathrm{j}\mathrm{i}}}{\left|{r}_{\mathrm{j}\mathrm{i}}\right|}$
式中:K T 为电缆小球带电量,用于控制排斥力的大小;rji 是从构件j 的中心指向构件i 的中心的向量;Oe ij 是电缆小球之间的相互距离(见图6 ),其大小如下:
(12) Oe ij =max$\left\{0,\sqrt{(x{\text{'}}_{i}-x{\text{'}}_{j}{)}^{2}+(y{\text{'}}_{i}-y{\text{'}}_{j}{)}^{2}}\right\}$
图6
图6
电缆构件间排斥力物理模型示意图
Fig.6
Physical model repulsion diagram between cables
为了检测电缆小球的分散程度是否满足约束条件,本电流密度定义引入热能U 2 :
(13) U 2 =$\frac{m}{S\left({{P}^{\mathrm{e}}}_{1}{{P}^{\mathrm{e}}}_{2}\dots {{P}^{\mathrm{e}}}_{m}\right)}$ A T R T t'
式中:m 视为每秒通过的电流量;A T 为单位面积;R T 为单位电阻;t' 为单位时间.
1.3 约束条件
在追求紧凑性、平衡性和热源分散性最佳的同时,要求任意构件完全在脐带缆截面的外包络圆内,并且任意两功能构件之间互不重叠或挤压.因此,各个功能构件中心坐标变量所受到约束条件可表示为
(14) $\begin{array}{c}-\left(x_{i}-x_{j}\right)^{2}-\left(y_{i}-y_{j}\right)^{2}+(2 R)^{2} \leqslant 0 \\i \neq j\end{array}$
式中:(xi , yi )和(xj , yj )为截面中心位置或任意构件重心位置.
基于约束条件建立弹力模型,当弹性物体因受到挤压而产生形变时,在弹性力的作用下有恢复自己原形的趋势.小球的弹性变形分为两种,小球之间挤压如图7 所示,Oij 为构件间的穿透距离,其定义为
(15) $\begin{aligned}O_{i j}= & \max \left\{0, r_{i}+r_{j}-\right. \left.\sqrt{\left(x_{i}^{\prime}-x_{j}^{\prime}\right)^{2}+\left(y_{i}^{\prime}-y_{j}^{\prime}\right)^{2}}\right\}\end{aligned}$
图7
图7
构件间弹性力物理模型示意图
Fig.7
Physical model elastic force between members
(16) $\boldsymbol{F}_{i j}^{\mathrm{e}}=K_{\mathrm{e}} O_{i j} \frac{\boldsymbol{r}_{j i}}{\left|\boldsymbol{r}_{j i}\right|}$
为避免截面空余位置过大,假定在系统内存在一个垂直于z 轴的圆盘,当顶部圆盘下压时,可以下压小球,小球之间会产生弹性力,弹性力物理模型示意图如图8 所示.该过程有效促使外围小球在椭圆抛物面上高度相同,从正面观察小球受压情况如图8(a) 所示.从俯视角度观察,当小球超出圆形覆盖时,弹性力使小球向内运动,小球受外压后俯视图如图8(b) 所示.Oo i 为构件与覆盖圆间的穿透距离,其定义如下:
(17) $O_{i}^{\circ}=\max \left\{0, \sqrt{x_{i}^{\prime 2}+y_{i}^{\prime 2}}+r-R_{0}\right\}$
图8
图8
弹性力物理模型示意图
Fig.8
Elastic force of physical model
(18) $\boldsymbol{F}_{i}^{\mathrm{eo}}=K_{\mathrm{o}}^{\mathrm{e}} O_{i}^{\mathrm{o}} \frac{-\boldsymbol{S}_{i}}{\left|\boldsymbol{S}_{i}\right|}$
式中:${K}_{\mathrm{o}}^{\mathrm{e}}$ Si 是从小球i 中心指向截面几何中心的向量.
由于力是矢量,当合力为0时仍有可能存在重叠,不能确保满足约束条件.因此,本文引入弹性势能U 3 用于衡量系统是否满足约束条件:
(19) $U_{3}=\frac{1}{2} K_{\mathrm{e}} \sum_{i=0}^{N-1} \sum_{j=i+1}^{N} O_{i j}^{2}$
1.4 综合模型
为了简化问题,将约束所形成的势能函数U 1 、U 2 和U 3 合并,将上述的汇聚力模型、拉力模型、排斥力模型和弹性力模型统一,得到综合的物理模型. 此时,物理模型的总体势能U 如下:
(20) U =U 1 +U 2 +U 3
当U ≤ε (ε 为很小的正数)时,对应的布局同时满足问题的所有约束条件.
2 拟物算法
拟物算法旨在物理世界中寻找与原始数学间题等价的自然现象,通过观察其演化规律,找到求解方法[10 -11 ] .本文提出的兼顾紧凑性、平衡性和热源分散性的圆形Packing问题,其求解思路为:首先,随机生成初始布局;然后,使虚拟小球在汇聚力、拉力、排斥力和弹性力的共同作用下不断运动; 当运动终止时的总体势能为近似0的很小正数ε 时,则得到一个合法的解布局.否则,采用跳坑策略,以生成一个新的布局,再进入下轮的拟物迭代,以此循环.
2.1 拟物下降算法
拟物下降法的基本思路是:在t 时刻计算当前布局各构件受力情况,若合力不为0,则各构件在弹力、重力和排斥力的共同作用下向合力的方向移动进行位置调整,直至合力为0,生成新布局. 在t 时刻基于给定布局,让各构件在汇聚力FG i, t 、拉力${F}_{t}^{dis}$ Fr i, t 、弹性力Fe i, t 和外压弹性力${F}_{\mathrm{i},\mathrm{ }\mathrm{t}}^{eo}$
(21) $\begin{aligned}P_{i, t+1}= & P_{i, t}+\boldsymbol{h}_{\mathrm{G}} \boldsymbol{F}_{i, t}^{\mathrm{G}}+\boldsymbol{h}_{\mathrm{dis}} \boldsymbol{F}_{t}^{\mathrm{dis}}+ \\& \boldsymbol{h}_{\mathrm{r}} \boldsymbol{F}_{i, t}^{\mathrm{r}}+\boldsymbol{h}_{\mathrm{e}} \boldsymbol{F}_{i, t}^{\mathrm{e}}+\boldsymbol{h}_{\mathrm{eo}} \boldsymbol{F}_{i, t}^{\mathrm{eo}}\end{aligned}$
式中:Pi , t i 个功能构件在t 时刻的中心坐标;$\boldsymbol{h}_{\mathrm{G}}、 \boldsymbol{h}_{\mathrm{di}}、\boldsymbol{h}_{\mathrm{r}}、 \boldsymbol{h}_{\mathrm{e}}、\boldsymbol{h}_{\mathrm{e}}$分别为汇聚力、拉力、排斥力、弹性力和外压弹性力作用下的移动步长向量.
2.2 拟人跳坑方法
在小球移动过程中极易因移动步子过大出现反复横跳的死循环或合力为0但势能大于ε 的非法布局,为避免上述两种现象出现,引入跳坑方法打破“卡死”的限制.为此,引入两种方法,分别是解救“最痛苦者”法和全局抖动法.即改变挤压最严重的小球位置和引入椭圆抛物面摇晃,通过短时的外力打破“卡死”限制.
3 填充策略
由于构件之间的相互约束作用,优化后的截面仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.脐带缆的填充方式如图9 所示,可分为无填充(图9(a) 所示)、部分填充(图9(b) 所示)和密实填充(图9(c) 所示)3大类.填充构件用于填补各构件间隙或为构件提供支撑时,其截面几何形状由填充位置附近的功能构件决定.密实填充构件的轮廓通常由与之相接触的圆形构件所决定,而部分填充时,填充构件的尺寸分为等径填充、不等径填充和异形填充3种,异形填充时填充构件的截面几何形状由当前区域功能构件的外轮廓曲线组成,填充后力学性能最佳;不等径填充时截面几何形状为当前区域的最大内接圆,填充后力学性能较好;等径填充中填充构件尺寸一致,填充后力学性能相比前两种有所下降,但有利于生产制造.因此,脐带缆的设计时的功能要求、截面布局形式、功能构件尺寸和数目以及填充的位置都会导致填充构件发生改变,在设计时如何选择成为关键问题.在实际中多使用圆形填充构件或填充绳,因此本文假定填充构件均为均质圆形构件,材料均为高密度聚乙烯(HDPE),仅尺寸存在差异.
图9
图9
脐带缆的填充方式[9 ]
Fig.9
Filling bodies of the umbilical[9 ]
为解决截面填充问题引入图像识别策略,基于图像处理策略的填充过程如图10 所示.首先需要解决的是填充位置问题,即识别出当前布局中功能构件间的空隙位置.为调用图像处理函数,需要先将当前布局图像转化为灰度图后进行二值化处理,生成二值图,如图10(b) 所示.然后使用Bwlabel函数对图像中的连通域进行统计和标记,划分前处理如图10(c) 所示,并使用Regionprops计算出图像各个区域的像素总数,作为图像的面积[12 ] .通过对比图像面积,确定空隙位置的大小.由于连通域由功能构件的边界和护套划分,形状并不规则,存在“葫芦型”或“狭长型”连通域如图10(d) 所示.此时该区域面积数值不符合实际需要,需要在“葫芦腰”处重新进行切割划分.为此需要在构件间及构件与护套间增加辅助线,将连通域进行切分.随后借鉴禁忌搜索算法中的禁忌表思想[13 ] ,从最短线开始,将与其在端点外相交的线段取出,放入禁忌表.依次进行,逐渐将细碎的连通域合并为少数较大的连通域,作为待填充区域进行处理如图10(e) 所示.
图10
图10
基于图像处理策略的填充过程示意图
Fig.10
Filling process based on the image processing
其次需要解决填充构件的尺寸问题,可将问题转化为空隙区域最大内切圆问题进行处理[14 16] .为解决该问题,将空隙内区域像素化,对每个像素点计算最大内切半径,所有像素点对应的最大内切半径里的最大值为空隙内切圆半径.为了避免凹凸相间的空隙边界,采用二分法对像素点的最大内切半径进行计算,即存在一个半径下限r min 和半径上限r max ,所得到的小圆完全包含在空隙内或与边界相切,大圆则与边界相交,通过不断迭代得到最大内切圆半径r ,基于二分法求解的最大内切圆如图11 所示.
图11
图11
基于二分法求解最大内切圆示意图
Fig.11
Diagram of solving the maximum tangent circle based on the dichotomy method
为提高迭代效率,将中心位置选为初始点,首先计算该位置最大内切圆半径,作为半径下限进行循环.在新的像素点,如果用半径下限生成的小圆与空隙边界相交则直接跳过, 否则对该像素点计算最大内切圆半径,用于对半径下限进行替换.通过不断提升半径下限,完成循环后可得到待填充区域内最大内切圆半径及相应的像素点坐标,对应圆形填充构件的半径和圆心坐标.
最后基于得到的填充构件位置和尺寸依次进行填充,可得到基于图像识别填充策略的脐带缆截面布局形式,如图12 所示.
图12
图12
基于图像识别填充策略优化效果示意图
Fig.12
Diagram of the optimization layout of filling strategy based on image recognition
将拟物下降算法、拟人跳坑方法和填充策略相结合,可以得到兼顾紧凑性、平衡性和热源分散性的脐带缆内核截面布局.算法流程图如图13 所示.
图13
图13
自动填充优化算法流程图
Fig.13
Flow chart of optimization algorithm
4 实例分析
4.1 基本参数
为了验证本算法的正确性,对一根包含6根钢管、3根电缆和1根光缆的脐带缆进行优化设计.各构件的基本尺寸和参数见表1.
4.2 优化结果分析
图14
图14
截面布局结果示意图
Fig.14
Section layout of umbilical
填充后截面布局2与无填充截面布局1对比,紧凑性没有变化,但对于空隙的填充使得截面更加圆整和密实,符合脐带缆设计规范中对于截面密实的要求.此外,填充设计减小了截面虚拟重力合力中心的偏移距离,截面承载力的平衡性提升了56.51%,内部各个功能构件能够均匀地承担截面的总张力,能够有效改善受力情况,避免某一功能构件受力过大而增大失效的概率.此外,图像识别填充策略是基于待填充布局进行填充,每次填充构件不会对原有构件的位置进行改变,因此填充前后热源分散性相同.综上分析,填充设计使得脐带缆截面的整体性能有较好的提升.
4.3 基于有限元的布局分析与评价
理论方法在分析时往往会进行大量简化和假设,而脐带缆受力分析时除去拉伸、弯曲和扭转等载荷存在,功能构件之间还存在大量的摩擦和接触,因此,在脐带缆的分析过程中,理论方法和数值模拟仿真相互结合的方法是目前比较常用的方法[17 -18 ] .为验证算法的有效性,基于有限元软件Abaqus,分别对无填充、填充构件个数n f 及密实填充进行有限元数值仿真.脐带缆截面位移U r 的云图如图15 所示,脐带缆截面平均径向变形变化和填充率变化规律如图16 所示.截面填充设计评价参数如表3 所示.
图15
图15
脐带缆截面位移云图
Fig.15
Cross-sectional displacement nephogram of an umbilical
图16
图16
脐带缆截面平均径向变形变化和填充率变化规律
Fig.16
Changes of average radial deformation and filling rate
从图中可以看出,无填充布局因为承力结构不完整,导致构件间产生滑移,使得脐带缆截面由圆形变形为“扁圆形”,不利于均匀承受载荷.增加填充后,脐带缆截面形成完整承力结构,构件位置相对改变较少,图中可见截面平均变形骤降,说明填充对改善脐带缆受力十分有效.可以看出,最大位移往往出现在空缺位置,分析原因为填充构件与外护套和功能构件间接触面较小,护套在没有支撑位置发生形变.当进行密实填充时,截面最大径向位移和平均径向位移都减少1个数量级,通过数值仿真结果可验证本文提出的填充方法的可行性和有效性.
5 结论
针对脐带缆截面构件填充设计问题,提出了可量化操作的多目标优化模型和基于图像识别的自动填充设计策略,并基于拟物算法开展优化设计,得到以下结论.
(1) 在脐带缆截面布局的紧凑性、受力平衡性基础上提出热源分散性这一优化目标,并提出相应的物理模型使用拟物算法对包含等径构件脐带缆截面进行布局设计,得到了较好的截面布局形式.
(2) 针对脐带缆截面优化过程中产生的空缺问题,引入图像识别填充策略对截面进行优化设计.通过结果对比可以发现,填充后截面的平均径向变形减小幅度高达98.50%,有力的提升了截面的径向刚度;承载平衡性提升56.51%,散热性能并无明显变化.
(3) 通过与未填充布局对比,验证了本文提出的自动填充设计算法在一定程度上是可行的,并且对于脐带缆的截面填充可提供一定的参考价值.针对脐带缆截面布局填充问题,作者进行了有益的尝试,未来要考虑更多的加工制造因素对于分层截面进行填充,同时对填充的类型,数量进行更深一步的研究.
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DOI:10.16183/j.cnki.jsjtu.2021.144
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非黏结柔性立管常用于将海底油气资源输送到平台,有时因设计需要会包含复合材料圆柱壳层结构.以一类8层的非黏结柔性立管为研究对象,分析了含有复合材料圆柱壳层结构的非黏结柔性立管的弯曲特性.提出了一种作用于非黏结柔性立管的轴对称载荷和弯曲载荷联合作用的理论模型,同时建立了计及详细几何特性的非黏结柔性立管数值模型进行了验证.分析了两种典型复合材料及其纤维体积分数对非黏结柔性立管弯曲特性的影响.理论与数值结果吻合较好,计算结果表明:非黏结柔性立管的弯曲特性受复合材料圆柱壳层轴向弹性模量影响较大,轴向弹性模量较大的复合材料会较大地增强完全滑移阶段的非黏结柔性立管的弯曲刚度.非黏结柔性立管的轴向抗拉刚度和完全滑移阶段的弯曲刚度都随着复合材料圆柱壳层的纤维体积分数增大,接近线性增强.
LIU Qingsheng XUE Hongxiang YUAN Yuchao et al Bending properties of unbonded flexible risers with composite materials
[J]. Journal of Shanghai Jiao Tong University 2022 , 56 (9 ): 1247 -1255 .
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国内外脐带缆技术研究现状及在我国的应用展望
1
2012
... 脐带缆作为上部浮体平台和水下生产系统装备的重要连接,有着“深海生命线”的美誉.其在位运行过程中,不断将控制信号、电气液压动力和化学药剂进行传输[1 ] .上述功能分别由多种功能构件实现,包括电缆、光缆、钢管等,将功能构件按功能需求进行整合后,增加填充构件螺旋缠绕组成脐带缆内核,在内核外根据需求增加铠装钢丝作为抗拉铠装层,最后使用聚乙烯材料作为护套形成所需的脐带缆. ...
Research situation on domestic and abroad umbilical cord technology and prospect of application in China
1
2012
... 脐带缆作为上部浮体平台和水下生产系统装备的重要连接,有着“深海生命线”的美誉.其在位运行过程中,不断将控制信号、电气液压动力和化学药剂进行传输[1 ] .上述功能分别由多种功能构件实现,包括电缆、光缆、钢管等,将功能构件按功能需求进行整合后,增加填充构件螺旋缠绕组成脐带缆内核,在内核外根据需求增加铠装钢丝作为抗拉铠装层,最后使用聚乙烯材料作为护套形成所需的脐带缆. ...
1
2015
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
1
2015
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
Multidisciplinary optimization design for the section layout of umbilicals based on intelligent algorithm
3
2018
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
... 对于深海所用的几千米长的脐带缆,其结构尺寸缩小10%,其自重减小量可达数吨,同时对脐带缆所受张力减小效果显著[10 ] .脐带缆设计规范[11 ] 中关于脐带缆截面布局设计部分均要求尽可能紧凑.当脐带缆在位运行时受到拉力载荷作用时,内核的径向变形量对铠装钢丝的轴向变形量产生影响,进而影响脐带缆抗拉性能,这要求脐带缆内核具备一定的径向刚度用于提供径向支撑.因此需要给出脐带缆截面的一种紧凑布局,即要求找到给定功能构件的最小包络圆半径R 尽可能小[3 -4 ] .以拟物方法为基础,基于此目标建立相应物理模型即汇聚力模型.为便于模型的建立,假设存在一个位置固定且刚性的椭圆抛物面;再假设各个构件为不同材质的弹性小球,构成了一个系统. ...
... 由于构件结构和材料力学性能的差别,不同构件的承载能力不同.当脐带缆截面布局承载能力不平衡时,个别构件易发生过载破坏,导致脐带缆疲劳寿命大大降低.因此,脐带缆截面排布应尽可能平衡[3 6 ] .本文基于截面构件的轴向拉伸刚度引入虚拟重力指标来描述截面布局的对称性,使构件虚拟重力指标G i
Study on the optimization algorithm of the cross-sectional layout of an umbilical based on the layering strategy
2
2021
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
... 对于深海所用的几千米长的脐带缆,其结构尺寸缩小10%,其自重减小量可达数吨,同时对脐带缆所受张力减小效果显著[10 ] .脐带缆设计规范[11 ] 中关于脐带缆截面布局设计部分均要求尽可能紧凑.当脐带缆在位运行时受到拉力载荷作用时,内核的径向变形量对铠装钢丝的轴向变形量产生影响,进而影响脐带缆抗拉性能,这要求脐带缆内核具备一定的径向刚度用于提供径向支撑.因此需要给出脐带缆截面的一种紧凑布局,即要求找到给定功能构件的最小包络圆半径R 尽可能小[3 -4 ] .以拟物方法为基础,基于此目标建立相应物理模型即汇聚力模型.为便于模型的建立,假设存在一个位置固定且刚性的椭圆抛物面;再假设各个构件为不同材质的弹性小球,构成了一个系统. ...
基于乘子罚函数算法的脐带缆截面布局多目标优化设计研究
1
2021
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
Research on multi-objective optimal design of umbilical cable cross-section layout based on multiplicative penalty function algorithm
1
2021
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
Study on the automatic optimization design of the cross-sectional layout of an umbilical with layers based on the GA-GLM
2
2023
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
... 由于构件结构和材料力学性能的差别,不同构件的承载能力不同.当脐带缆截面布局承载能力不平衡时,个别构件易发生过载破坏,导致脐带缆疲劳寿命大大降低.因此,脐带缆截面排布应尽可能平衡[3 6 ] .本文基于截面构件的轴向拉伸刚度引入虚拟重力指标来描述截面布局的对称性,使构件虚拟重力指标G i
填充对钢管脐带缆截面力学性能影响分析
1
2013
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
Analysis on effect of filling on mechanical property of steel tube umbilical cable section
1
2013
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
On choice of finite element type for the filled bodies in umbilicals for deep water application
1
2010
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
脐带缆截面填充构件拓扑优化轻量化设计
3
2022
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
... 由于构件之间的相互约束作用,优化后的截面仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.脐带缆的填充方式如
图9 所示,可分为无填充(
图9(a) 所示)、部分填充(
图9(b) 所示)和密实填充(
图9(c) 所示)3大类.填充构件用于填补各构件间隙或为构件提供支撑时,其截面几何形状由填充位置附近的功能构件决定.密实填充构件的轮廓通常由与之相接触的圆形构件所决定,而部分填充时,填充构件的尺寸分为等径填充、不等径填充和异形填充3种,异形填充时填充构件的截面几何形状由当前区域功能构件的外轮廓曲线组成,填充后力学性能最佳;不等径填充时截面几何形状为当前区域的最大内接圆,填充后力学性能较好;等径填充中填充构件尺寸一致,填充后力学性能相比前两种有所下降,但有利于生产制造.因此,脐带缆的设计时的功能要求、截面布局形式、功能构件尺寸和数目以及填充的位置都会导致填充构件发生改变,在设计时如何选择成为关键问题.在实际中多使用圆形填充构件或填充绳,因此本文假定填充构件均为均质圆形构件,材料均为高密度聚乙烯(HDPE),仅尺寸存在差异.
10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.588.F0009 图9 脐带缆的填充方式<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="b9">9</xref>]</sup> Filling bodies of the umbilical<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="b9">9</xref>]</sup> Fig.9 ![]()
为解决截面填充问题引入图像识别策略,基于图像处理策略的填充过程如图10 所示.首先需要解决的是填充位置问题,即识别出当前布局中功能构件间的空隙位置.为调用图像处理函数,需要先将当前布局图像转化为灰度图后进行二值化处理,生成二值图,如图10(b) 所示.然后使用Bwlabel函数对图像中的连通域进行统计和标记,划分前处理如图10(c) 所示,并使用Regionprops计算出图像各个区域的像素总数,作为图像的面积[12 ] .通过对比图像面积,确定空隙位置的大小.由于连通域由功能构件的边界和护套划分,形状并不规则,存在“葫芦型”或“狭长型”连通域如图10(d) 所示.此时该区域面积数值不符合实际需要,需要在“葫芦腰”处重新进行切割划分.为此需要在构件间及构件与护套间增加辅助线,将连通域进行切分.随后借鉴禁忌搜索算法中的禁忌表思想[13 ] ,从最短线开始,将与其在端点外相交的线段取出,放入禁忌表.依次进行,逐渐将细碎的连通域合并为少数较大的连通域,作为待填充区域进行处理如图10(e) 所示. ...
... [
9 ]
Fig.9 ![]()
为解决截面填充问题引入图像识别策略,基于图像处理策略的填充过程如图10 所示.首先需要解决的是填充位置问题,即识别出当前布局中功能构件间的空隙位置.为调用图像处理函数,需要先将当前布局图像转化为灰度图后进行二值化处理,生成二值图,如图10(b) 所示.然后使用Bwlabel函数对图像中的连通域进行统计和标记,划分前处理如图10(c) 所示,并使用Regionprops计算出图像各个区域的像素总数,作为图像的面积[12 ] .通过对比图像面积,确定空隙位置的大小.由于连通域由功能构件的边界和护套划分,形状并不规则,存在“葫芦型”或“狭长型”连通域如图10(d) 所示.此时该区域面积数值不符合实际需要,需要在“葫芦腰”处重新进行切割划分.为此需要在构件间及构件与护套间增加辅助线,将连通域进行切分.随后借鉴禁忌搜索算法中的禁忌表思想[13 ] ,从最短线开始,将与其在端点外相交的线段取出,放入禁忌表.依次进行,逐渐将细碎的连通域合并为少数较大的连通域,作为待填充区域进行处理如图10(e) 所示. ...
Topology optimization and lightweight design of filling bodies in the cross-section of umbilical cables
3
2022
... 由于组成材料与功能需求的不同,不同的功能构件性能和结构形式也存在差别,所以排布方式的不同会对脐带缆整体性能产生一定影响.在脐带缆相关标准中,截面布局优化设计环节是脐带缆设计流程中的关键步骤.近年来,国内学者在脐带缆截面布局优化设计方面做了相关研究.马国君[2 ] 在截面布局紧凑性和对称性的基础上考虑了脐带缆在位运行时温度场对脐带缆力学性能的影响,给出了考虑电缆散热的脐带缆截面最优布局设计.Yang等[3 -4 ] 综合考虑截面的紧凑性、对称性、平衡性和热分布特性,建立了便于操作的可量化数学描述,并提出了基于粒子群算法的多学科优化框架,实现了脐带缆截面布局优化设计.殷旭等[5 -6 ] 在紧凑性和对称平衡性之外,还考虑了脐带缆内部易损构件相互作用因素,基于遗传算法和乘子罚函数法进行了优化设计.但是在对截面优化布局进行分析后发现,当截面功能构件进行排布后,由于形状的限制,仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.针对截面填充的性能分析,杨志勋等[7 ] 通过有限元仿真,分析比较了径向载荷作用下无填充、部分填充与密实填充形式的脐带缆内核结构力学性能.Ye等[8 ] 分析了填充对脐带缆各构件之间摩擦应力的影响.毛彦东等[9 ] 使用有限元软件对脐带缆填充结构进行优化,并基于同一案例对不同形状的填充结果进行对比,给出了合理的优化构型. ...
... 由于构件之间的相互约束作用,优化后的截面仍存在较大的空隙,对截面的性能有一定影响,需要在截面增加填充构件填补空隙,使脐带缆截面更加紧凑和圆整.脐带缆的填充方式如
图9 所示,可分为无填充(
图9(a) 所示)、部分填充(
图9(b) 所示)和密实填充(
图9(c) 所示)3大类.填充构件用于填补各构件间隙或为构件提供支撑时,其截面几何形状由填充位置附近的功能构件决定.密实填充构件的轮廓通常由与之相接触的圆形构件所决定,而部分填充时,填充构件的尺寸分为等径填充、不等径填充和异形填充3种,异形填充时填充构件的截面几何形状由当前区域功能构件的外轮廓曲线组成,填充后力学性能最佳;不等径填充时截面几何形状为当前区域的最大内接圆,填充后力学性能较好;等径填充中填充构件尺寸一致,填充后力学性能相比前两种有所下降,但有利于生产制造.因此,脐带缆的设计时的功能要求、截面布局形式、功能构件尺寸和数目以及填充的位置都会导致填充构件发生改变,在设计时如何选择成为关键问题.在实际中多使用圆形填充构件或填充绳,因此本文假定填充构件均为均质圆形构件,材料均为高密度聚乙烯(HDPE),仅尺寸存在差异.
10.16183/j.cnki.jsjtu.2023.588.F0009 图9 脐带缆的填充方式<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="b9">9</xref>]</sup> Filling bodies of the umbilical<sup>[<xref ref-type="bibr" rid="b9">9</xref>]</sup> Fig.9 ![]()
为解决截面填充问题引入图像识别策略,基于图像处理策略的填充过程如图10 所示.首先需要解决的是填充位置问题,即识别出当前布局中功能构件间的空隙位置.为调用图像处理函数,需要先将当前布局图像转化为灰度图后进行二值化处理,生成二值图,如图10(b) 所示.然后使用Bwlabel函数对图像中的连通域进行统计和标记,划分前处理如图10(c) 所示,并使用Regionprops计算出图像各个区域的像素总数,作为图像的面积[12 ] .通过对比图像面积,确定空隙位置的大小.由于连通域由功能构件的边界和护套划分,形状并不规则,存在“葫芦型”或“狭长型”连通域如图10(d) 所示.此时该区域面积数值不符合实际需要,需要在“葫芦腰”处重新进行切割划分.为此需要在构件间及构件与护套间增加辅助线,将连通域进行切分.随后借鉴禁忌搜索算法中的禁忌表思想[13 ] ,从最短线开始,将与其在端点外相交的线段取出,放入禁忌表.依次进行,逐渐将细碎的连通域合并为少数较大的连通域,作为待填充区域进行处理如图10(e) 所示. ...
... [
9 ]
Fig.9 ![]()
为解决截面填充问题引入图像识别策略,基于图像处理策略的填充过程如图10 所示.首先需要解决的是填充位置问题,即识别出当前布局中功能构件间的空隙位置.为调用图像处理函数,需要先将当前布局图像转化为灰度图后进行二值化处理,生成二值图,如图10(b) 所示.然后使用Bwlabel函数对图像中的连通域进行统计和标记,划分前处理如图10(c) 所示,并使用Regionprops计算出图像各个区域的像素总数,作为图像的面积[12 ] .通过对比图像面积,确定空隙位置的大小.由于连通域由功能构件的边界和护套划分,形状并不规则,存在“葫芦型”或“狭长型”连通域如图10(d) 所示.此时该区域面积数值不符合实际需要,需要在“葫芦腰”处重新进行切割划分.为此需要在构件间及构件与护套间增加辅助线,将连通域进行切分.随后借鉴禁忌搜索算法中的禁忌表思想[13 ] ,从最短线开始,将与其在端点外相交的线段取出,放入禁忌表.依次进行,逐渐将细碎的连通域合并为少数较大的连通域,作为待填充区域进行处理如图10(e) 所示. ...
支持求解不等圆packing问题的降维策略
2
2020
... 对于深海所用的几千米长的脐带缆,其结构尺寸缩小10%,其自重减小量可达数吨,同时对脐带缆所受张力减小效果显著[10 ] .脐带缆设计规范[11 ] 中关于脐带缆截面布局设计部分均要求尽可能紧凑.当脐带缆在位运行时受到拉力载荷作用时,内核的径向变形量对铠装钢丝的轴向变形量产生影响,进而影响脐带缆抗拉性能,这要求脐带缆内核具备一定的径向刚度用于提供径向支撑.因此需要给出脐带缆截面的一种紧凑布局,即要求找到给定功能构件的最小包络圆半径R 尽可能小[3 -4 ] .以拟物方法为基础,基于此目标建立相应物理模型即汇聚力模型.为便于模型的建立,假设存在一个位置固定且刚性的椭圆抛物面;再假设各个构件为不同材质的弹性小球,构成了一个系统. ...
... 拟物算法旨在物理世界中寻找与原始数学间题等价的自然现象,通过观察其演化规律,找到求解方法[10 -11 ] .本文提出的兼顾紧凑性、平衡性和热源分散性的圆形Packing问题,其求解思路为:首先,随机生成初始布局;然后,使虚拟小球在汇聚力、拉力、排斥力和弹性力的共同作用下不断运动; 当运动终止时的总体势能为近似0的很小正数ε 时,则得到一个合法的解布局.否则,采用跳坑策略,以生成一个新的布局,再进入下轮的拟物迭代,以此循环. ...
Strategy for dimensionality reduction strategies for solving unequal circle packing problems
2
2020
... 对于深海所用的几千米长的脐带缆,其结构尺寸缩小10%,其自重减小量可达数吨,同时对脐带缆所受张力减小效果显著[10 ] .脐带缆设计规范[11 ] 中关于脐带缆截面布局设计部分均要求尽可能紧凑.当脐带缆在位运行时受到拉力载荷作用时,内核的径向变形量对铠装钢丝的轴向变形量产生影响,进而影响脐带缆抗拉性能,这要求脐带缆内核具备一定的径向刚度用于提供径向支撑.因此需要给出脐带缆截面的一种紧凑布局,即要求找到给定功能构件的最小包络圆半径R 尽可能小[3 -4 ] .以拟物方法为基础,基于此目标建立相应物理模型即汇聚力模型.为便于模型的建立,假设存在一个位置固定且刚性的椭圆抛物面;再假设各个构件为不同材质的弹性小球,构成了一个系统. ...
... 拟物算法旨在物理世界中寻找与原始数学间题等价的自然现象,通过观察其演化规律,找到求解方法[10 -11 ] .本文提出的兼顾紧凑性、平衡性和热源分散性的圆形Packing问题,其求解思路为:首先,随机生成初始布局;然后,使虚拟小球在汇聚力、拉力、排斥力和弹性力的共同作用下不断运动; 当运动终止时的总体势能为近似0的很小正数ε 时,则得到一个合法的解布局.否则,采用跳坑策略,以生成一个新的布局,再进入下轮的拟物迭代,以此循环. ...
不等圆Packing问题的多策略优化方法
2
2022
... 对于深海所用的几千米长的脐带缆,其结构尺寸缩小10%,其自重减小量可达数吨,同时对脐带缆所受张力减小效果显著[10 ] .脐带缆设计规范[11 ] 中关于脐带缆截面布局设计部分均要求尽可能紧凑.当脐带缆在位运行时受到拉力载荷作用时,内核的径向变形量对铠装钢丝的轴向变形量产生影响,进而影响脐带缆抗拉性能,这要求脐带缆内核具备一定的径向刚度用于提供径向支撑.因此需要给出脐带缆截面的一种紧凑布局,即要求找到给定功能构件的最小包络圆半径R 尽可能小[3 -4 ] .以拟物方法为基础,基于此目标建立相应物理模型即汇聚力模型.为便于模型的建立,假设存在一个位置固定且刚性的椭圆抛物面;再假设各个构件为不同材质的弹性小球,构成了一个系统. ...
... 拟物算法旨在物理世界中寻找与原始数学间题等价的自然现象,通过观察其演化规律,找到求解方法[10 -11 ] .本文提出的兼顾紧凑性、平衡性和热源分散性的圆形Packing问题,其求解思路为:首先,随机生成初始布局;然后,使虚拟小球在汇聚力、拉力、排斥力和弹性力的共同作用下不断运动; 当运动终止时的总体势能为近似0的很小正数ε 时,则得到一个合法的解布局.否则,采用跳坑策略,以生成一个新的布局,再进入下轮的拟物迭代,以此循环. ...
Multi-strategy optimization method forunequal circle packing problem
2
2022
... 对于深海所用的几千米长的脐带缆,其结构尺寸缩小10%,其自重减小量可达数吨,同时对脐带缆所受张力减小效果显著[10 ] .脐带缆设计规范[11 ] 中关于脐带缆截面布局设计部分均要求尽可能紧凑.当脐带缆在位运行时受到拉力载荷作用时,内核的径向变形量对铠装钢丝的轴向变形量产生影响,进而影响脐带缆抗拉性能,这要求脐带缆内核具备一定的径向刚度用于提供径向支撑.因此需要给出脐带缆截面的一种紧凑布局,即要求找到给定功能构件的最小包络圆半径R 尽可能小[3 -4 ] .以拟物方法为基础,基于此目标建立相应物理模型即汇聚力模型.为便于模型的建立,假设存在一个位置固定且刚性的椭圆抛物面;再假设各个构件为不同材质的弹性小球,构成了一个系统. ...
... 拟物算法旨在物理世界中寻找与原始数学间题等价的自然现象,通过观察其演化规律,找到求解方法[10 -11 ] .本文提出的兼顾紧凑性、平衡性和热源分散性的圆形Packing问题,其求解思路为:首先,随机生成初始布局;然后,使虚拟小球在汇聚力、拉力、排斥力和弹性力的共同作用下不断运动; 当运动终止时的总体势能为近似0的很小正数ε 时,则得到一个合法的解布局.否则,采用跳坑策略,以生成一个新的布局,再进入下轮的拟物迭代,以此循环. ...
基于MATLAB的地图符号识别算法研究
1
2022
... 为解决截面填充问题引入图像识别策略,基于图像处理策略的填充过程如图10 所示.首先需要解决的是填充位置问题,即识别出当前布局中功能构件间的空隙位置.为调用图像处理函数,需要先将当前布局图像转化为灰度图后进行二值化处理,生成二值图,如图10(b) 所示.然后使用Bwlabel函数对图像中的连通域进行统计和标记,划分前处理如图10(c) 所示,并使用Regionprops计算出图像各个区域的像素总数,作为图像的面积[12 ] .通过对比图像面积,确定空隙位置的大小.由于连通域由功能构件的边界和护套划分,形状并不规则,存在“葫芦型”或“狭长型”连通域如图10(d) 所示.此时该区域面积数值不符合实际需要,需要在“葫芦腰”处重新进行切割划分.为此需要在构件间及构件与护套间增加辅助线,将连通域进行切分.随后借鉴禁忌搜索算法中的禁忌表思想[13 ] ,从最短线开始,将与其在端点外相交的线段取出,放入禁忌表.依次进行,逐渐将细碎的连通域合并为少数较大的连通域,作为待填充区域进行处理如图10(e) 所示. ...
Research on map symbol recognition algorithm based on MATLAB
1
2022
... 为解决截面填充问题引入图像识别策略,基于图像处理策略的填充过程如图10 所示.首先需要解决的是填充位置问题,即识别出当前布局中功能构件间的空隙位置.为调用图像处理函数,需要先将当前布局图像转化为灰度图后进行二值化处理,生成二值图,如图10(b) 所示.然后使用Bwlabel函数对图像中的连通域进行统计和标记,划分前处理如图10(c) 所示,并使用Regionprops计算出图像各个区域的像素总数,作为图像的面积[12 ] .通过对比图像面积,确定空隙位置的大小.由于连通域由功能构件的边界和护套划分,形状并不规则,存在“葫芦型”或“狭长型”连通域如图10(d) 所示.此时该区域面积数值不符合实际需要,需要在“葫芦腰”处重新进行切割划分.为此需要在构件间及构件与护套间增加辅助线,将连通域进行切分.随后借鉴禁忌搜索算法中的禁忌表思想[13 ] ,从最短线开始,将与其在端点外相交的线段取出,放入禁忌表.依次进行,逐渐将细碎的连通域合并为少数较大的连通域,作为待填充区域进行处理如图10(e) 所示. ...
采用混合遗传算法的敏捷卫星自主观测任务规划
1
2021
... 为解决截面填充问题引入图像识别策略,基于图像处理策略的填充过程如图10 所示.首先需要解决的是填充位置问题,即识别出当前布局中功能构件间的空隙位置.为调用图像处理函数,需要先将当前布局图像转化为灰度图后进行二值化处理,生成二值图,如图10(b) 所示.然后使用Bwlabel函数对图像中的连通域进行统计和标记,划分前处理如图10(c) 所示,并使用Regionprops计算出图像各个区域的像素总数,作为图像的面积[12 ] .通过对比图像面积,确定空隙位置的大小.由于连通域由功能构件的边界和护套划分,形状并不规则,存在“葫芦型”或“狭长型”连通域如图10(d) 所示.此时该区域面积数值不符合实际需要,需要在“葫芦腰”处重新进行切割划分.为此需要在构件间及构件与护套间增加辅助线,将连通域进行切分.随后借鉴禁忌搜索算法中的禁忌表思想[13 ] ,从最短线开始,将与其在端点外相交的线段取出,放入禁忌表.依次进行,逐渐将细碎的连通域合并为少数较大的连通域,作为待填充区域进行处理如图10(e) 所示. ...
Agile satellite autonomous observation mission planning using hybrid genetic algorithm
1
2021
... 为解决截面填充问题引入图像识别策略,基于图像处理策略的填充过程如图10 所示.首先需要解决的是填充位置问题,即识别出当前布局中功能构件间的空隙位置.为调用图像处理函数,需要先将当前布局图像转化为灰度图后进行二值化处理,生成二值图,如图10(b) 所示.然后使用Bwlabel函数对图像中的连通域进行统计和标记,划分前处理如图10(c) 所示,并使用Regionprops计算出图像各个区域的像素总数,作为图像的面积[12 ] .通过对比图像面积,确定空隙位置的大小.由于连通域由功能构件的边界和护套划分,形状并不规则,存在“葫芦型”或“狭长型”连通域如图10(d) 所示.此时该区域面积数值不符合实际需要,需要在“葫芦腰”处重新进行切割划分.为此需要在构件间及构件与护套间增加辅助线,将连通域进行切分.随后借鉴禁忌搜索算法中的禁忌表思想[13 ] ,从最短线开始,将与其在端点外相交的线段取出,放入禁忌表.依次进行,逐渐将细碎的连通域合并为少数较大的连通域,作为待填充区域进行处理如图10(e) 所示. ...
计算任意多边形最大内圆的一种算法
1
2003
... 其次需要解决填充构件的尺寸问题,可将问题转化为空隙区域最大内切圆问题进行处理[14 16 ] .为解决该问题,将空隙内区域像素化,对每个像素点计算最大内切半径,所有像素点对应的最大内切半径里的最大值为空隙内切圆半径.为了避免凹凸相间的空隙边界,采用二分法对像素点的最大内切半径进行计算,即存在一个半径下限r min 和半径上限r max ,所得到的小圆完全包含在空隙内或与边界相切,大圆则与边界相交,通过不断迭代得到最大内切圆半径r ,基于二分法求解的最大内切圆如图11 所示. ...
An algorithm for determining the largest internal circle in arbitrary polygons
1
2003
... 其次需要解决填充构件的尺寸问题,可将问题转化为空隙区域最大内切圆问题进行处理[14 16 ] .为解决该问题,将空隙内区域像素化,对每个像素点计算最大内切半径,所有像素点对应的最大内切半径里的最大值为空隙内切圆半径.为了避免凹凸相间的空隙边界,采用二分法对像素点的最大内切半径进行计算,即存在一个半径下限r min 和半径上限r max ,所得到的小圆完全包含在空隙内或与边界相切,大圆则与边界相交,通过不断迭代得到最大内切圆半径r ,基于二分法求解的最大内切圆如图11 所示. ...
Novel method for solving maximum inscribed circle
0
2003
图像最大内切圆求解算法的研究
1
2006
... 其次需要解决填充构件的尺寸问题,可将问题转化为空隙区域最大内切圆问题进行处理[14 16 ] .为解决该问题,将空隙内区域像素化,对每个像素点计算最大内切半径,所有像素点对应的最大内切半径里的最大值为空隙内切圆半径.为了避免凹凸相间的空隙边界,采用二分法对像素点的最大内切半径进行计算,即存在一个半径下限r min 和半径上限r max ,所得到的小圆完全包含在空隙内或与边界相切,大圆则与边界相交,通过不断迭代得到最大内切圆半径r ,基于二分法求解的最大内切圆如图11 所示. ...
Research on algorithm for solving maximum inscribed circle of image
1
2006
... 其次需要解决填充构件的尺寸问题,可将问题转化为空隙区域最大内切圆问题进行处理[14 16 ] .为解决该问题,将空隙内区域像素化,对每个像素点计算最大内切半径,所有像素点对应的最大内切半径里的最大值为空隙内切圆半径.为了避免凹凸相间的空隙边界,采用二分法对像素点的最大内切半径进行计算,即存在一个半径下限r min 和半径上限r max ,所得到的小圆完全包含在空隙内或与边界相切,大圆则与边界相交,通过不断迭代得到最大内切圆半径r ,基于二分法求解的最大内切圆如图11 所示. ...
Tension-bending analysis of flexible pipe by a repeated unit cell finite element model
1
2019
... 理论方法在分析时往往会进行大量简化和假设,而脐带缆受力分析时除去拉伸、弯曲和扭转等载荷存在,功能构件之间还存在大量的摩擦和接触,因此,在脐带缆的分析过程中,理论方法和数值模拟仿真相互结合的方法是目前比较常用的方法[17 -18 ] .为验证算法的有效性,基于有限元软件Abaqus,分别对无填充、填充构件个数n f 及密实填充进行有限元数值仿真.脐带缆截面位移U r 的云图如图15 所示,脐带缆截面平均径向变形变化和填充率变化规律如图16 所示.截面填充设计评价参数如表3 所示. ...
含复合材料结构的非黏结柔性立管弯曲特性
1
2022
... 理论方法在分析时往往会进行大量简化和假设,而脐带缆受力分析时除去拉伸、弯曲和扭转等载荷存在,功能构件之间还存在大量的摩擦和接触,因此,在脐带缆的分析过程中,理论方法和数值模拟仿真相互结合的方法是目前比较常用的方法[17 -18 ] .为验证算法的有效性,基于有限元软件Abaqus,分别对无填充、填充构件个数n f 及密实填充进行有限元数值仿真.脐带缆截面位移U r 的云图如图15 所示,脐带缆截面平均径向变形变化和填充率变化规律如图16 所示.截面填充设计评价参数如表3 所示. ...
Bending properties of unbonded flexible risers with composite materials
1
2022
... 理论方法在分析时往往会进行大量简化和假设,而脐带缆受力分析时除去拉伸、弯曲和扭转等载荷存在,功能构件之间还存在大量的摩擦和接触,因此,在脐带缆的分析过程中,理论方法和数值模拟仿真相互结合的方法是目前比较常用的方法[17 -18 ] .为验证算法的有效性,基于有限元软件Abaqus,分别对无填充、填充构件个数n f 及密实填充进行有限元数值仿真.脐带缆截面位移U r 的云图如图15 所示,脐带缆截面平均径向变形变化和填充率变化规律如图16 所示.截面填充设计评价参数如表3 所示. ...
