畢業(yè)論文-海底臍帶纜電場與載流量有限元分析計(jì)算

1、PAGE II- -哈爾濱理工大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）任務(wù)書學(xué)生姓名： 學(xué)號(hào)：學(xué) 院：電氣與電子工程學(xué)院 專業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化任務(wù)起止時(shí)間：2012年2月 27日至 2012年 6 月 24日畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）題目：海底臍帶纜電場與載流量有限元分析計(jì)算畢業(yè)設(shè)計(jì)工作內(nèi)容：1、查閱國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)，要將其中1篇外文文獻(xiàn)譯成中文，不少于3000漢字；2、綜述臍帶纜國內(nèi)外技術(shù)與現(xiàn)狀，掌握臍帶纜電纜單元設(shè)計(jì)要求；3、對(duì)給定9種臍帶纜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元電場、溫度場分析； 4、給出利用有限元分析法確定理論絕緣厚度與額定載流量的方法；5、比較不同結(jié)構(gòu)、不同絕緣與護(hù)套材料的電場與載流量計(jì)算結(jié)果；6、進(jìn)行論文總結(jié)工作，撰

2、寫畢業(yè)論文，準(zhǔn)備畢業(yè)答辯。資料：ISO13628-5-2009，Petroleum and natural gas industriesDesign and operation of subsea production systemsPart 5: Subsea umbilicalsGB/T12706.1-2008 額定電壓1kV(Um=1.2kV)到35kV(Um=40.5kV)擠包絕緣電力電纜及附件 第1部分：額定電壓1kV(Um=1.2kV)和3kV(Um=3.6kV)電纜B. Gustavsen, A. Bruaset, J. J. Bremnes, A. Hassel，A Finit

3、e-Element Approach for Calculating Electrical Parameters of Umbilical Cables，IEEE Trans. on Power Delivery，2009,24(4): 2375-2384 劉子玉，電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理（上冊 電力電纜），機(jī)械工業(yè)出版社，1990馮慈章，馬西奎，工程電磁場導(dǎo)論，北京：高等教育出版社，2007指導(dǎo)教師意見：簽名：年 月 日系主任意見：簽名：年 月 日教務(wù)處制表哈爾濱理工大學(xué)學(xué)士學(xué)位論文- PAGE IV -海底臍帶纜電場與載流量有限元分析計(jì)算摘要隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求的加大使能源供需矛盾日益

4、突出，為緩解這種矛盾，加快海洋油氣資源開發(fā)已成為國家戰(zhàn)略需求，而臍帶纜作為水下生產(chǎn)系統(tǒng)不可或缺的重要部分受到國內(nèi)外各界的關(guān)注。由于計(jì)算電場和載流量的傳統(tǒng)方法無法滿足實(shí)際需求，計(jì)算誤差較大，且臍帶纜結(jié)構(gòu)復(fù)雜，傳統(tǒng)方法已不適用。因此本文采用有限元法對(duì)臍帶纜的電場和溫度場進(jìn)行分析，利用ANSYS軟件進(jìn)行仿真，選用兩種具有代表性的臍帶纜結(jié)構(gòu)，計(jì)算他們的電場強(qiáng)度，并對(duì)比不同結(jié)構(gòu)，不同絕緣材料對(duì)其影響。仿真結(jié)果表明，上述因素的改變對(duì)電場分布影響不大但對(duì)載流量影響較明顯，載流量計(jì)算中，同樣對(duì)比這兩種結(jié)構(gòu)對(duì)載流量的影響，并且將絕緣護(hù)套換用導(dǎo)熱系數(shù)不同的材料，通過仿真結(jié)果分析他們對(duì)載流量的影響。仿真的結(jié)果表明A

5、NSYS軟件的計(jì)算精度比較高，計(jì)算結(jié)果也是合理的。論文給出了臍帶纜設(shè)計(jì)的相關(guān)分析方法，對(duì)工程實(shí)際應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。 關(guān)鍵詞 臍帶纜，有限元法，電場，溫度場，載流量Electric Field and Ampacity Analysis of Submarine Umbilical Cables Based on Finite Element MethodAbstractWith the rapid development of economic and increase of energy demand, the contradiction between supply and dema

6、nd has become increasingly prominent. To solve the contradiction, accelerating the development of offshore oil and gas resources has become a national strategic need. Umbilical cables are concerned by various circles at home and abroad for its indispensable part of subsea production systems.The trad

7、itional method of calculating electric field and carrying capacity can not meet the actual demand with its large deviation and complex structure of umbilical cables. The finite element method was used in this thesis to analyze the electric field and thermal field of the umbilical cables, by ANSYS so

8、ftware simulation. Two typical umbilical cable structures were applied to calculate the electric field strength and compare the effects of different insulation materials and different structures. It was shown in the results that the different factors have less impact on the electric field but a grea

9、ter impact on carrying capacity. In the carrying capacity calculation, the same comparison of these two structures on ampacity was done, and switch insulation jacket to the thermal conductivity of different materials, then analyzed the effects of these on ampacity by simulation results. It is shown

10、in all above results that the calculation accuracy of ANSYS is relatively high and the results are also reasonable. The related analysis methods of umbilical cables design were given in this thesis and they had a certain reference value for engineering applications.Keywords Umbilical cables; finite

11、element method; electric field; thermal field; ampacity 目錄摘要 = 1 * ROMAN IAbstract = 2 * ROMAN IITOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc327975118 第1章 緒論 PAGEREF _Toc327975118 h 1 HYPERLINK l _Toc327975119 1.1 課題背景 PAGEREF _Toc327975119 h 1 HYPERLINK l _Toc327975120 1.2 臍帶纜基本結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc327975120 h 2 HYPER

12、LINK l _Toc327975121 1.3 臍帶纜國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc327975121 h 3 HYPERLINK l _Toc327975122 1.3.1 國外研究與應(yīng)用 PAGEREF _Toc327975122 h 3 HYPERLINK l _Toc327975123 1.3.2 國內(nèi)研究與應(yīng)用 PAGEREF _Toc327975123 h 6 HYPERLINK l _Toc327975124 1.4 臍帶纜主要電氣性能要求 PAGEREF _Toc327975124 h 7 HYPERLINK l _Toc327975125 1.4.1 電氣性

13、能要求 PAGEREF _Toc327975125 h 7 HYPERLINK l _Toc327975126 1.4.2 電氣設(shè)計(jì)流程 PAGEREF _Toc327975126 h 8 HYPERLINK l _Toc327975127 1.5 本文主要研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc327975127 h 9 HYPERLINK l _Toc327975128 第2章 臍帶纜電場分析與臨界絕緣厚度理論計(jì)算 PAGEREF _Toc327975128 h 11 HYPERLINK l _Toc327975129 2.1 電場有限元分析理論基礎(chǔ) PAGEREF _Toc327975129

14、h 11 HYPERLINK l _Toc327975130 2.1.1 各類電場數(shù)值計(jì)算方法特點(diǎn) PAGEREF _Toc327975130 h 11 HYPERLINK l _Toc327975131 2.1.2 電場FEM法基本原理 PAGEREF _Toc327975131 h 13 HYPERLINK l _Toc327975132 2.1.3 電場FEM工程仿真軟件選擇 PAGEREF _Toc327975132 h 14 HYPERLINK l _Toc327975133 2.2 電場ANSYS分析過程 PAGEREF _Toc327975133 h 16 HYPERLINK l

15、 _Toc327975134 2.2.1 電場ANSYS分析流程圖 PAGEREF _Toc327975134 h 16 HYPERLINK l _Toc327975135 2.2.2 電場ANSYS分析步驟 PAGEREF _Toc327975135 h 16 HYPERLINK l _Toc327975136 2.3 臍帶纜電纜單元臨界絕緣厚度理論計(jì)算 PAGEREF _Toc327975136 h 23 HYPERLINK l _Toc327975137 2.3.1 臨界厚度理論計(jì)算流程 PAGEREF _Toc327975137 h 23 HYPERLINK l _Toc3279751

16、38 2.3.2 電纜線芯最大場強(qiáng)計(jì)算 PAGEREF _Toc327975138 h 23 HYPERLINK l _Toc327975139 2.3.3 電纜運(yùn)行中承受過電壓 PAGEREF _Toc327975139 h 24 HYPERLINK l _Toc327975140 2.3.4 電纜臨界絕緣厚度計(jì)算與選擇 PAGEREF _Toc327975140 h 26 HYPERLINK l _Toc327975141 2.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc327975141 h 28 HYPERLINK l _Toc327975142 第3章 臍帶纜溫度場分析與載流量理論計(jì)算 P

17、AGEREF _Toc327975142 h 29 HYPERLINK l _Toc327975143 3.1 溫度場有限元分析理論基礎(chǔ) PAGEREF _Toc327975143 h 29 HYPERLINK l _Toc327975144 3.1.1 溫度場有限元計(jì)算原理 PAGEREF _Toc327975144 h 29 HYPERLINK l _Toc327975145 3.1.2 溫度場FEM工程仿真軟件選擇 PAGEREF _Toc327975145 h 32 HYPERLINK l _Toc327975146 3.2 溫度場ANSYS分析過程 PAGEREF _Toc32797

18、5146 h 32 HYPERLINK l _Toc327975147 3.2.1 流程圖 PAGEREF _Toc327975147 h 32 HYPERLINK l _Toc327975148 3.2.2 分析過程 PAGEREF _Toc327975148 h 33 HYPERLINK l _Toc327975149 3.3 基于FEM法臍帶纜載流量計(jì)算 PAGEREF _Toc327975149 h 38 HYPERLINK l _Toc327975150 3.3.1 傳統(tǒng)熱路法穩(wěn)態(tài)載流量計(jì)算簡介 PAGEREF _Toc327975150 h 38 HYPERLINK l _Toc3

19、27975151 3.3.2 穩(wěn)態(tài)載流量FEM法計(jì)算： PAGEREF _Toc327975151 h 40 HYPERLINK l _Toc327975152 3.4 本章小結(jié) PAGEREF _Toc327975152 h 41 HYPERLINK l _Toc327975153 第4章 不同纜芯結(jié)構(gòu)臍帶纜電熱性能FEM計(jì)算 PAGEREF _Toc327975153 h 42 HYPERLINK l _Toc327975154 4.1 臍帶纜纜芯截面類型 PAGEREF _Toc327975154 h 42 HYPERLINK l _Toc327975155 4.2 不同纜芯截面臍帶纜電

20、場分析 PAGEREF _Toc327975155 h 43 HYPERLINK l _Toc327975156 4.2.1 不同纜芯結(jié)構(gòu)的電場計(jì)算結(jié)果 PAGEREF _Toc327975156 h 43 HYPERLINK l _Toc327975157 4.2.2 纜芯材料選擇與電場計(jì)算結(jié)果 PAGEREF _Toc327975157 h 44 HYPERLINK l _Toc327975158 4.3 不同纜芯截面臍帶纜溫度分布與載流量計(jì)算結(jié)果 PAGEREF _Toc327975158 h 45 HYPERLINK l _Toc327975159 4.3.1 不同纜芯截面溫度分布計(jì)算

21、結(jié)果 PAGEREF _Toc327975159 h 45 HYPERLINK l _Toc327975160 4.3.2 不同絕緣與護(hù)套材料載流量計(jì)算 PAGEREF _Toc327975160 h 46 HYPERLINK l _Toc327975161 4.4 結(jié)果討論分析 PAGEREF _Toc327975161 h 48 HYPERLINK l _Toc327975162 4.4.1 不同纜芯結(jié)構(gòu)電場分析 PAGEREF _Toc327975162 h 48 HYPERLINK l _Toc327975163 4.4.2 不同纜芯結(jié)構(gòu)載流量分析 PAGEREF _Toc327975

22、163 h 48 HYPERLINK l _Toc327975164 4.5 臍帶纜電熱性能FEM分析要點(diǎn) PAGEREF _Toc327975164 h 48 HYPERLINK l _Toc327975165 4.6 本章小結(jié) PAGEREF _Toc327975165 h 50 HYPERLINK l _Toc327975166 結(jié)論 PAGEREF _Toc327975166 h 51 HYPERLINK l _Toc327975167 致謝 PAGEREF _Toc327975167 h 52 HYPERLINK l _Toc327975168 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc32

23、7975168 h 53 HYPERLINK l _Toc327975169 附錄A PAGEREF _Toc327975169 h 54 HYPERLINK l _Toc327975170 附錄B PAGEREF _Toc327975170 h 55 HYPERLINK l _Toc327975171 附錄C PAGEREF _Toc327975171 h 56- PAGE 66 -緒論課題背景課題來源于國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃）（2009AA09Z301）“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究”委托子課題。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，能源需求越來越大，能源供需矛盾日益突出，為了緩解能源供需

24、矛盾，加快海洋油氣資源開發(fā)已成為國家戰(zhàn)略需求。隨著海上油氣田開發(fā)水深的不斷增加，水下生產(chǎn)系統(tǒng)及其主要部件以其顯著的技術(shù)優(yōu)勢、可觀的經(jīng)濟(jì)效益得到國內(nèi)外各大石油公司以及各相關(guān)制造廠商的廣泛關(guān)注1。臍帶纜是水下生產(chǎn)系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分之一，是水下生產(chǎn)作業(yè)設(shè)備的生命線，主要作用是為水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供電氣液壓動(dòng)力、化學(xué)注入通道，同時(shí)為上部模塊控制信號(hào)以及水下生產(chǎn)系統(tǒng)提供數(shù)據(jù)傳輸通道。長期以來，我國所使用的臍帶纜全部依賴進(jìn)口，對(duì)這一方面的關(guān)鍵技術(shù)研究尚屬空白，尚不具備臍帶纜系統(tǒng)設(shè)計(jì)、分析、生產(chǎn)等關(guān)鍵技術(shù)的能力，因而在一定程度上制約了我國深海油氣田的開發(fā)2。針對(duì)這種需求，國家加大對(duì)臍帶纜的技術(shù)研究，在“十一五”

25、期間，國家“863”計(jì)劃“水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)研究”課題組采取產(chǎn)、學(xué)、研相結(jié)合的形式，針對(duì)南海典型環(huán)境開展了對(duì)臍帶纜關(guān)鍵技術(shù)的研究，確定目標(biāo)臍帶纜的各方面功能要求。臍帶纜開發(fā)研究中其結(jié)構(gòu)的力學(xué)與電氣性能分析是關(guān)鍵技術(shù)之一，力學(xué)研究應(yīng)針對(duì)動(dòng)態(tài)、靜態(tài)纜的靜力學(xué)與動(dòng)力學(xué)方面進(jìn)行分析，確保電纜結(jié)構(gòu)的拉伸強(qiáng)度、渦激振動(dòng)、疲勞斷裂強(qiáng)度等性能達(dá)到應(yīng)用要求；電氣性能方面主要分析水下工作時(shí)，臍帶纜的載流量、各部分溫度分布、材料耐電強(qiáng)度，確保臍帶纜使用中絕緣可靠、溫度分布與載流量合理，為臍帶纜絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)奠定理論基礎(chǔ)3。開展水下生產(chǎn)臍帶纜系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究，建立具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)體系，培養(yǎng)掌握臍帶纜設(shè)

26、計(jì)、分析、制造等關(guān)鍵技術(shù)的技術(shù)人員，將進(jìn)一步提升我國在深海油氣開發(fā)裝備方面的自主研發(fā)能力，為我國海洋深水油氣田的開發(fā)提供技術(shù)支撐。同時(shí)，對(duì)于推進(jìn)水下生產(chǎn)系統(tǒng)其它關(guān)鍵設(shè)備的國產(chǎn)化、高效開發(fā)深水油氣田以及保障我國能源安全具有重要的戰(zhàn)略意義。臍帶纜基本結(jié)構(gòu)水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜（Umbilical Cables）一般由電纜（動(dòng)力纜或信號(hào)纜）、光纜（單?；蚨嗄９饫|）、液壓或化學(xué)藥劑管和護(hù)套、填充繩等部分組合而成，可以為水下油氣田開發(fā)生產(chǎn)設(shè)備提供電能、液壓、化學(xué)藥劑、控制信號(hào)及水下生產(chǎn)系統(tǒng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，起到水下設(shè)備與海洋平臺(tái)、岸上設(shè)備緊密聯(lián)系的重要紐帶作用。臍帶纜在海洋石油與礦物資源開采中獲得了廣泛的應(yīng)用，如海

27、纜中的電力纜、控制纜、拖拽纜、遙控水下機(jī)器人纜等。由于臍帶纜是海洋工程中一種集電力傳輸、數(shù)字信號(hào)和視頻信號(hào)傳輸以及氣體或液體輸送等多功能于一體的綜合型電纜，因而對(duì)電氣、機(jī)械等方面都具有許多特殊的要求。電纜單元的額定電壓根據(jù)用戶的實(shí)際需要確定，通常可為450/750V、0.6/1kV、1.8/3kV和3.6/6kV，電力傳輸功率大，能給海底動(dòng)力設(shè)備提供強(qiáng)大的電力；電纜整體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、性能優(yōu)良的電磁兼容設(shè)計(jì)，能確保電纜具有良好的信號(hào)傳輸質(zhì)量；外護(hù)套材料采用耐水性能優(yōu)異的熱塑性彈性體材料，機(jī)械強(qiáng)度高，耐磨性好；電纜的水密封性能優(yōu)異，要求電纜具有高可靠性和耐用性；電纜的鎧裝層可設(shè)計(jì)成扭矩平衡的鋼絲鎧

28、裝結(jié)構(gòu)，電纜本體具有良好的自然垂性，不易發(fā)生扭轉(zhuǎn)；電纜的最小彎曲半徑一般為電纜直徑的10倍。目前幾類典型的臍帶纜結(jié)構(gòu)及水下生產(chǎn)應(yīng)用情況如圖1-1所示。 （a）臍帶纜結(jié)構(gòu) （b）臍帶纜端面（DUCO公司）（c）典型臍帶纜結(jié)構(gòu)（耐克森挪威公司）（d）臍帶纜水下應(yīng)用圖1-1 臍帶纜結(jié)構(gòu)與水下生產(chǎn)應(yīng)用臍帶纜國內(nèi)外研究與應(yīng)用現(xiàn)狀國外研究與應(yīng)用國外在臍帶纜設(shè)計(jì)、制造及安裝方面具有十分明顯的優(yōu)勢，應(yīng)用臍帶纜的時(shí)間長、范圍廣，而且有著非常豐富的經(jīng)驗(yàn)。最早的安裝并運(yùn)行的臍帶纜是巴西石油公司在MARLIM SUL鋪設(shè)的臍帶纜，水深990米，由DUCO公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)，于1997年6月1日安裝，于1999年開始運(yùn)行，并

29、且自從那時(shí)到現(xiàn)在的10多年時(shí)間里，臍帶纜的應(yīng)用以十分迅猛的速度擴(kuò)展開來。目前，大約有60%以上分布在環(huán)大西洋，主要有墨西哥灣、巴西、挪威、安哥拉等；還有30%分布在南亞地區(qū)，主要有印度尼西亞、澳大利亞等地；其余地方非常少2。國外設(shè)計(jì)與制造臍帶纜的具有代表性的公司主要有Oceaneering Multifelx、Nexans、Aker Kvaerner以及DUCO等。這些大型公司擁有較完備的設(shè)計(jì)理論系統(tǒng)，開發(fā)了相應(yīng)的專用分析軟件和測試系統(tǒng)，集設(shè)計(jì)、制造、試驗(yàn)、安裝和監(jiān)測等方面于一體。目前在深度為1500m處鋪設(shè)臍帶管的技術(shù)較為成熟，Nexans公司已鋪設(shè)深度超過1800m。國際發(fā)達(dá)國家水下生產(chǎn)系

30、統(tǒng)臍帶纜技術(shù)已較為成熟，國外很多學(xué)者采用解析和數(shù)值方法對(duì)臍帶纜整體和截面進(jìn)行分析，具有較完善的設(shè)計(jì)理論與分析方法。此外國外各大廠家均有自己的設(shè)計(jì)和分析軟件，如Nexans公司的UFLEX軟件，Aker Solutions 公司的USAP軟件，滿足各公司設(shè)計(jì)和分析的要求，并有較完善測試系統(tǒng)保證產(chǎn)品的安全性。但總體來說，超深海域的臍帶纜的設(shè)計(jì)理論以及鋪設(shè)技術(shù)尚處于試驗(yàn)和完善階段。下面對(duì)國外幾個(gè)代表性公司的臍帶纜基本情況作如下介紹：（1）Oceaneering Multifelx公司 是水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜主要供應(yīng)商之一，該公司具備生產(chǎn)熱塑管、電纜、高抗壓潰柔性管、金屬管及其組合臍帶纜的能力。同時(shí)，還

31、能夠生產(chǎn)修井臍帶纜、水下防噴器臍帶纜以及飛線臍帶纜，能夠提供相關(guān)配件2。Oceaneering Multiflex生產(chǎn)的部分臍帶纜如圖1-2所示。 （a）水下動(dòng)力臍帶纜 （b）鋼管臍帶纜 （c）熱塑管臍帶纜 （d）修井臍帶纜 圖1-2 Oceaneering Multifelx生產(chǎn)的部分臍帶纜（2）耐克森（Nexans）公司 全球領(lǐng)先的電纜制造商，以生產(chǎn)鋼制臍帶纜為主。1993年，該公司將超雙相不銹鋼管臍帶纜引入市場，并應(yīng)用于Statjord和Sleipner項(xiàng)目中；1995年，該公司又成功將動(dòng)態(tài)超雙相不銹鋼管臍帶纜應(yīng)用于墨西哥灣。該公司生產(chǎn)的臍帶纜單位質(zhì)量最大為135kg/m，最大外徑為21

32、3mm2，Nexans公司生產(chǎn)的部分臍帶纜如圖1-3所示。 （a）水下動(dòng)力臍帶纜 （b）鋼管臍帶纜 （c）綜合服務(wù)臍帶纜圖1-3 Nexans公司生產(chǎn)的部分臍帶纜該公司生產(chǎn)的海底臍帶纜產(chǎn)品的主要特點(diǎn)：注液小鋼管之間緊密相連，且螺旋角度較大（與Aker公司相比）多用鋼管，且鋼管一般有護(hù)套以防止摩擦多采用鎧裝加強(qiáng)（3）Aker Solutions公司 該公司在Moss和Alabama兩個(gè)城市設(shè)有生產(chǎn)加工基地，所生產(chǎn)的臍帶纜有很多非鎧裝結(jié)構(gòu)，主要有鋼管臍帶纜、綜合生產(chǎn)臍帶纜和深水臍帶纜2。Aker Solutions公司生產(chǎn)的部分臍帶纜如圖1-4所示。 （a）鋼管臍帶纜 （b）綜合服務(wù)臍帶纜 圖1-

33、4 Aker Solutions公司非鎧裝臍帶纜產(chǎn)品（4）DUCO公司 總部位于法國巴黎，1958年成立，是世界上油氣工程的領(lǐng)導(dǎo)者。該公司主要從事設(shè)計(jì)、制造（管線、平臺(tái)）和陸上、海上和海底的生產(chǎn)設(shè)施的安裝2。在臍帶纜制造能力方面，該公司在英國、美國和安哥拉三個(gè)國家都設(shè)有生產(chǎn)加工基地；在市場方面，DUCO在07-08年度的臍帶纜市場份額占14%，鋼管臍帶纜份額占16%，主要目標(biāo)用戶在非洲、亞洲太平洋海域、美洲附近海域皆有分布；該公司生產(chǎn)的臍帶纜產(chǎn)品比較全面，而且該公司應(yīng)用臍帶纜的最深深度為2950米，應(yīng)為目前世界上的最深。DUCO公司生產(chǎn)的部分臍帶纜如圖1-5所示。 （a）鋼管臍帶纜 （b）熱塑

34、管臍帶纜 圖1-5 DUCO典型臍帶纜產(chǎn)品DUCO公司臍帶纜產(chǎn)品的特點(diǎn)：鋼管之間緊密相連，且螺旋角度較大（與Aker公司相比）內(nèi)部功能構(gòu)件分層級(jí)數(shù)較多國內(nèi)研究與應(yīng)用國內(nèi)對(duì)于臍帶纜的研究起步較晚，現(xiàn)階段主要限于部分領(lǐng)域理論分析，距工程實(shí)用技術(shù)尚有較大差距，目前尚不具備臍帶纜的設(shè)計(jì)制造能力，海洋油氣田開發(fā)用臍帶纜全部依賴進(jìn)口，如流花11-1油田（96年投產(chǎn)，直接液壓控制系統(tǒng)，采用液壓管臍帶纜）、陸豐22-1油田（97年投產(chǎn)，復(fù)合電液控制系統(tǒng)，臍帶纜包括電纜、液壓/化學(xué)藥劑管）、惠州32-5（99年投產(chǎn)，復(fù)合電液控制系統(tǒng)，臍帶纜包括電纜、液壓/化學(xué)藥劑管） 、惠州 26-1N 油田（2000 年投產(chǎn)

35、，復(fù)合電液控制系統(tǒng)，臍帶纜包括電纜、液壓/化學(xué)藥劑管）等1。國內(nèi)關(guān)于臍帶纜研究方面的論文較少，僅有十余篇，文獻(xiàn)多來源于中海石油研究中心、上海電纜研究所、大連理工大學(xué)、寧波東方集團(tuán)，且多是關(guān)于力學(xué)方面的研究，如臍帶纜彎曲剛度、拉伸行為的有限元分析等，以及水下安裝設(shè)計(jì)等方面，但關(guān)于電氣方面的研究非常少。國內(nèi)對(duì)臍帶纜的研究，在臍帶纜標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范、臍帶纜截面設(shè)計(jì)、臍帶纜力學(xué)理論分析、臍帶纜測試技術(shù)、臍帶纜制造技術(shù)等五個(gè)方面取得了實(shí)質(zhì)性進(jìn)展，相繼建立了具有我國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的關(guān)鍵技術(shù)體系。通過對(duì)目標(biāo)臍帶纜各單元材料、腐蝕、制造工藝、填充物研究，初步明確了臍帶纜的結(jié)構(gòu)單元組成。在力學(xué)分析方面，以1500m水深條

36、件對(duì)臍帶纜的極值荷載、海底穩(wěn)定性進(jìn)行了分析，得出了臍帶纜的質(zhì)量外徑比、拉扭和彎曲性能等基本力學(xué)特性，在此基礎(chǔ)上，進(jìn)一步完成了目標(biāo)臍帶纜的局部力學(xué)和整體線形設(shè)計(jì)與分析，包括疲勞分析、線形設(shè)計(jì)、干涉分析等。通過上述理論分析，明確了目標(biāo)臍帶纜采用懸鏈線的線型，給出了較優(yōu)的目標(biāo)臍帶纜截面布局（圖1-6），探索總結(jié)出了一套開展自主設(shè)計(jì)臍帶纜總體設(shè)計(jì)流程和力學(xué)分析方法。 圖1-6 我國自主研制的臍帶纜初樣截面圖 臍帶纜主要電氣性能要求電氣性能要求臍帶纜運(yùn)行中，電纜單元的載流量比較大，而且臍帶纜結(jié)構(gòu)的緊密，使得電纜單元散熱條件較差，因而會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的溫升過高，電磁干擾（對(duì)信號(hào)纜而言）等問題，對(duì)臍帶纜結(jié)構(gòu)、電纜

37、單元絕緣厚度確定都會(huì)直接帶來顯著的影響。臍帶纜的電纜單元部分是深海設(shè)備電能傳輸?shù)闹匾考?，由于電力電纜額定載流量是基于陸上環(huán)境與結(jié)構(gòu)參數(shù)選擇，不能真實(shí)體現(xiàn)臍帶纜結(jié)構(gòu)與深海應(yīng)用的實(shí)際情況。因此，需要根據(jù)運(yùn)行條件確定電纜實(shí)際載流量與溫度場分布，為水下臍帶纜絕緣選擇提供理論依據(jù)。作為臍帶纜絕緣與護(hù)套料的有機(jī)絕緣材料畢竟是彈性體，在陸上應(yīng)用，敷設(shè)環(huán)境單一，基本上是靜態(tài)的，但作為海底應(yīng)用，尤其是深海，受海底洋流等外界因素作用，材料的耐電強(qiáng)度無法避免要受到影響，應(yīng)當(dāng)分析固體絕緣在電-機(jī)械-振動(dòng)聯(lián)合作用下的擊穿機(jī)理，給出理論計(jì)算，得到不同工作環(huán)境與備選材料下，擊穿電壓（場強(qiáng)）的絕對(duì)值或與正常陸上應(yīng)用的相對(duì)變

38、化率，為工程應(yīng)用提供重要的指導(dǎo)原則。影響電纜運(yùn)行載流量的因素很多，僅按IEC-60287 標(biāo)準(zhǔn)確定電纜載流量往往有較大的誤差，尤其是對(duì)于臍帶纜特殊的結(jié)構(gòu)和使用環(huán)境，無法滿足實(shí)際需要。所以應(yīng)當(dāng)采用有限元法建立臍帶纜的電纜單元部分的溫度場的數(shù)學(xué)和物理模型，構(gòu)造出熱傳導(dǎo)方程和邊界條件，采用ANSYS有限元軟件分析電纜的散熱特性以及影響載流量的因素。電纜絕緣厚度的確定是決定電纜工作狀況和使用壽命的主要因素，由于擊穿場強(qiáng)受半徑等幾何尺寸影響較大，一般利用平均擊穿場強(qiáng)來確定絕緣厚度。厚層絕緣散熱較困難，導(dǎo)致電纜絕緣工作溫度上升，由于材料穩(wěn)態(tài)熱擊穿強(qiáng)度隨絕緣厚度上升而下降以及絕緣工作溫度上升，可能導(dǎo)致厚層絕

39、緣擊穿電壓下降。對(duì)電纜單元，尤其是三芯以上電纜很難通過解析分析計(jì)算最大場強(qiáng)，所以應(yīng)當(dāng)按實(shí)際電纜單元結(jié)構(gòu)建立相關(guān)模型，求解實(shí)際最大場強(qiáng)，并按電氣絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理得到電纜絕緣層厚度計(jì)算公式。對(duì)絕緣材料的考核，要結(jié)合對(duì)纜芯電場理論分析，尋找絕緣薄弱處，校核絕緣厚度選取是否滿足要求。其他設(shè)計(jì)主要考慮的要求有4：臍帶纜端面安排布置上，應(yīng)保證電纜、光纖、管單元等纜芯各部分在電纜終端處容易單獨(dú)分離開，便于現(xiàn)場對(duì)纜芯各部分分別安裝使用；設(shè)計(jì)上應(yīng)當(dāng)充分考慮安裝過程中的變形和深海應(yīng)用的壓潰作用產(chǎn)生的張力與拉力，導(dǎo)體應(yīng)有一定的形變緩沖能力；臍帶纜絕緣、填充、護(hù)套等材料應(yīng)當(dāng)是耐油和絕緣的，以避免出現(xiàn)由于充入液壓/絕緣

40、油均衡內(nèi)外壓差時(shí)導(dǎo)致材料絕緣和理化性能劣化；電纜單元導(dǎo)體應(yīng)當(dāng)選用高電導(dǎo)率銅導(dǎo)體，而且應(yīng)選用退火圓銅線，若采用多股絞線，應(yīng)不少于7股絞成，且最小截面不低于2.5mm2；絕緣材料應(yīng)優(yōu)選交聯(lián)聚乙烯和乙丙橡膠類材料，確保在工作條件下，尤其是工作溫度下能夠長期連續(xù)使用，絕緣表面應(yīng)保證光滑圓整，任何的缺陷或凸印標(biāo)記都會(huì)影響材料的長期運(yùn)行可靠性，有關(guān)局放、耐壓等絕緣測試應(yīng)符合ISO13628-5；電纜絕緣與護(hù)套材料應(yīng)保證能在完全浸入海水環(huán)境下連續(xù)工作，終端接頭處應(yīng)當(dāng)防水；電氣設(shè)計(jì)流程開發(fā)臍帶纜需要針對(duì)特殊使用條件設(shè)計(jì)，應(yīng)滿足電力、通訊、機(jī)械強(qiáng)度要求。臍帶纜由于是數(shù)量較多的各種組件集合而成，實(shí)現(xiàn)傳輸電能、光纖

41、控制、輸送液壓油等功能，因此應(yīng)采用可靠的電磁與熱性能設(shè)計(jì)保證臍帶纜的長期使用壽命。臍帶纜的一般電氣設(shè)計(jì)流程如圖1-7所示，最終設(shè)計(jì)還要借助有限元等各種分析軟件和樣纜的相關(guān)測試結(jié)果不斷完善。圖1-7 臍帶纜的一般電氣設(shè)計(jì)流程圖本文主要研究內(nèi)容（1）用有限元法分析臍帶纜的電場分布情況，用理論計(jì)算方法確定電纜單元的臨界絕緣厚度，并驗(yàn)證有限元法分析的最大場強(qiáng)是否在允許范圍內(nèi)。（2）分析不同結(jié)構(gòu)、不同絕緣材料和不同絕緣厚度對(duì)電纜單元電場分布的影響，從而確定最佳臍帶纜內(nèi)部結(jié)構(gòu)。（3）通過有限元法對(duì)臍帶纜的載流量進(jìn)行分析，得出不同結(jié)構(gòu)單元對(duì)載流量的影響，同時(shí)分析其他因素，如不同絕緣材料對(duì)電纜單元散熱情況的影

42、響，以選擇最佳絕緣材料和確定纜芯結(jié)構(gòu)。臍帶纜電場分析與臨界絕緣厚度理論計(jì)算對(duì)電纜結(jié)構(gòu)尤其是具有特殊端面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的臍帶纜設(shè)計(jì)而言，電場計(jì)算顯得尤為重要，因?yàn)殡娎|單元設(shè)計(jì)必須充分考慮電場的均勻性用以提高結(jié)構(gòu)的絕緣性能。通過進(jìn)行電場的數(shù)值計(jì)算，可以得出電場的最大場強(qiáng)與分布規(guī)律，為理論計(jì)算電纜單元臨界絕緣厚度奠定基礎(chǔ)。雖然本文要求分析電纜單元電壓等級(jí)并不高，但本文計(jì)算分析方法對(duì)更高電壓等級(jí)的臍帶纜電纜單元結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有同樣的適用性。電場有限元分析理論基礎(chǔ)各類電場數(shù)值計(jì)算方法特點(diǎn)電場計(jì)算方法有多種，在20世紀(jì)60年代以前，人們以麥克斯韋方程為研究對(duì)象，采用一些簡化方法，得出近似的解析解，或者用模擬實(shí)驗(yàn)的方

43、法來求得滿足工程要求的近似結(jié)果。對(duì)于靜態(tài)場或準(zhǔn)靜態(tài)場而言，忽略媒質(zhì)損耗，由麥克斯韋方程組求解場的基本方程可歸結(jié)為泊松方程和拉普拉斯方程。但是，當(dāng)場域的幾何特征比較復(fù)雜時(shí)，應(yīng)用解析的方法進(jìn)行分析就會(huì)遇到不少困難，這時(shí)人們開始采用數(shù)值計(jì)算的方法。從20世紀(jì)60年代以來，電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展的同時(shí)，大量的電場的數(shù)值計(jì)算方法不斷涌現(xiàn)，并得到廣泛地應(yīng)用。相對(duì)于經(jīng)典電磁理論而言，數(shù)值方法受邊界形狀的約束大為減少，可以解決各種類型的復(fù)雜問題。電場數(shù)值計(jì)算將電場原本連續(xù)的場域的問題轉(zhuǎn)換成了離散系統(tǒng)，并對(duì)其求解數(shù)值解，通過場域離散化的模型求得的各個(gè)點(diǎn)上的數(shù)值解，近似逼近連續(xù)場域的真實(shí)解。電場數(shù)值計(jì)算隨著計(jì)算

44、機(jī)水平的發(fā)展，計(jì)算精度也在得到不斷的提高，因此這一方法受到了廣泛地重視。由于電場數(shù)值分析應(yīng)用的巨大進(jìn)展，可以解決許多以往不能解決的問題，從有限差分法到有限元法、邊界元法以及一些組合方法，到近幾年出現(xiàn)的無網(wǎng)格Galerkin法、小波算法等，其中有限元法是求解復(fù)雜電場問題的重要工具之一。從數(shù)值方法的角度來看，各種數(shù)值計(jì)算方法都有優(yōu)缺點(diǎn)，而各種方法又有不同的特點(diǎn)。分析如下：（1）鏡像法和模擬電荷法5鏡像法（Images Method，簡稱IM），是用位于場域邊界外虛設(shè)的較簡單的鏡像電荷分布來等效替代該邊界上未知的較為復(fù)雜的電荷分布，從而將原來含該邊界的非均勻媒質(zhì)空間變換成無限大單一均勻媒質(zhì)的空間，使

45、分析計(jì)算過程得以明顯簡化的一種間接求解法。模擬電荷法是用一組虛設(shè)的模擬電荷來等效電極表面連續(xù)分布的電荷。模擬電荷法類似于鏡象法，所不同的是鏡象電荷的位置及大小是根據(jù)電極表面電位的解析表達(dá)式唯一確定，根據(jù)唯一性定理，其解答是唯一的。而模擬電荷的值是根據(jù)電極表面某些離散點(diǎn)的電位所確定，當(dāng)模擬電荷位置不同，電極表面所取的匹配點(diǎn)不同時(shí)，解也不同，所以解答不是唯一的，而只是一種近似解。（2）有限差分法6有限差分法是以差分原理為基礎(chǔ)的一種數(shù)值計(jì)算方法，屬于偏微分方程法。有限差分法的優(yōu)點(diǎn)是找出差分方程組的方法比較簡單，并且差分方程組本身也比較簡單，網(wǎng)格的剖分也容易，數(shù)據(jù)的準(zhǔn)備省時(shí)，編制計(jì)算程序方便，差分法的

46、使用較為簡便。但是，有限差分法主要適用于邊界形狀規(guī)則的邊界，對(duì)不規(guī)則的邊界，如曲線邊界，處理不方便。當(dāng)區(qū)域的邊界線和內(nèi)部媒介分界線形狀比較復(fù)雜，以及場域的分布變化較大時(shí)，由于差分法的網(wǎng)格剖分缺少靈活性，因此較難適應(yīng)，這就給使用帶來不便。（3）積分方程法和邊界元法7積分方程法由C.W.Trowbridge于1972年提出，并給出了二維、三維問題的離散形式。由于積分方程法的離散僅需在源區(qū)進(jìn)行，所以能較好地解決開域問題以及連續(xù)場的問題。在電磁場計(jì)算中，根據(jù)格林定理通過取適當(dāng)?shù)母窳趾瘮?shù)將描述電磁場的方程在一定條件下轉(zhuǎn)化為邊界積分方程，積分方程法就成了邊界元法。積分方程法和邊界元法的共同弱點(diǎn)是代數(shù)方程組

47、的系數(shù)矩陣是不對(duì)稱的滿陣、被積函數(shù)較復(fù)雜、系數(shù)運(yùn)算量很大，對(duì)于非線性為主的問題的求解仍然非常困難。（4）無網(wǎng)格法8無網(wǎng)格Galerkin法（Element Free Galerkin Method，簡稱EFGM）是近20年發(fā)展起來的，其理論基礎(chǔ)是移動(dòng)最小二乘法，其基本思想是將計(jì)算場域離散成若干個(gè)點(diǎn)，由移動(dòng)最小二乘法來構(gòu)造形函數(shù)，再獲得問題的弱變分形式，通過施加邊界條件，從而得到數(shù)值解。在EFGM中，只需要知道整個(gè)分析區(qū)域的節(jié)點(diǎn)分布以及邊界條件，而并不要求節(jié)點(diǎn)之間有任何連接。因此，這種算法非常適合在計(jì)算過程中場域幾何形狀和參數(shù)發(fā)生變化這類問題的求解。無網(wǎng)格Galerkin法與有限元法相似之處：兩

48、者都是將邊值問題等價(jià)為一個(gè)條件變分問題，然后由條件變分問題通過數(shù)值積分離散為代數(shù)方程組。不同之處：有限元法是對(duì)逐個(gè)有限單元進(jìn)行數(shù)值積分，形成單元矩陣，然后將其疊加到單元節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的方程中；而無網(wǎng)格Galerkin法是在積分單元上進(jìn)行數(shù)值積分，然后將每個(gè)高斯點(diǎn)上的積分值疊加到該高斯點(diǎn)所支撐的若干節(jié)點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的方程中。（5）有限元法9有限元法（Finite Element Method，簡稱FEM）廣泛用于電氣工程領(lǐng)域，有限元法已經(jīng)成為各類電磁場、電磁波工程問題定量分析與優(yōu)化設(shè)計(jì)的主導(dǎo)數(shù)值計(jì)算方法。有限元法的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是適合處理區(qū)域邊界線、內(nèi)部媒質(zhì)分界線形狀復(fù)雜以及場域的分布變化較大的場合。相對(duì)而言，

49、有限元法可以更精確地模擬各種復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，并通過選擇取樣點(diǎn)的疏密情況適應(yīng)場分布的不同情況，既能保證計(jì)算精度的要求，又不增加過多的計(jì)算量，另一大優(yōu)點(diǎn)是所形成的代數(shù)方程具有系數(shù)矩陣對(duì)稱正定、稀疏等特點(diǎn)，容易求解，收斂性好。有限元法的一個(gè)缺點(diǎn)是單元的剖分往往缺乏規(guī)律，對(duì)于無邊界區(qū)域的求解不很方便，另一個(gè)缺點(diǎn)是由于有限元法是區(qū)域性解法，如果分割的單元數(shù)和節(jié)點(diǎn)數(shù)較多，將導(dǎo)致需要的初始數(shù)據(jù)復(fù)雜繁多，最終得到的方程組的元數(shù)很大，這使得存儲(chǔ)容量很大、計(jì)算時(shí)間很長、計(jì)算費(fèi)用昂貴。有限元法對(duì)存儲(chǔ)容量的要求主要決定于其代數(shù)方程組系數(shù)矩陣的存儲(chǔ)量大小，而其計(jì)算時(shí)間的多少也主要決定于代數(shù)方程組求解時(shí)間的長短。由于網(wǎng)格

50、剖分的疏密與最終所形成的系數(shù)矩陣的存貯量密切相關(guān)，因此人們采用了許多方法來減少存儲(chǔ)量，而有限元方程組的求解方法也一直為人們所關(guān)心，并且研究了很多實(shí)用的求解方法。電場FEM法基本原理當(dāng)電極上加上規(guī)定電壓時(shí)，求取電極外部空間的電場。如把電極表面取作邊界S，電極以外的空間稱作場域，則當(dāng)場域中電位滿足下列Laplace方程 （2-1）則場的計(jì)算問題即成為求取函數(shù)的邊界值問題，通常稱為Dirichlet問題。即電位函數(shù)滿足微分方程 （2-2）電場強(qiáng)度矢量滿足 （2-3）設(shè)二維電場區(qū)域內(nèi)，電位函數(shù)滿足Laplace方程，并且在邊界C上各點(diǎn)電位已知（即第一類邊界條件），即： （2-4）對(duì)臍帶纜所在場域進(jìn)行網(wǎng)

51、格剖分，場域分成許多小單元，指定材料屬性并施加邊界條件與載荷。加載并設(shè)每個(gè)小單元電場為一常數(shù)，則令場域總能量最小，即得到如下泛函表達(dá)式： （2-5）將上述泛函離散化，得 （2-6）式中，總電場能系數(shù)陣，與剖分網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)有關(guān)。 而上述求解電位函數(shù)的過程需要在給定的邊界條件下進(jìn)行，這就是所謂的邊值問題。下面對(duì)常用的邊界條件進(jìn)行簡單的介紹：（1）第一類邊界條件在邊界上，電位是已知的，即 （2-7）其中是坐標(biāo)的函數(shù)，與之相應(yīng)的邊值問題為第一類邊值問題。（2）第二類邊界條件在邊界上，電位的法向?qū)?shù)是已知的，即 （2-8）若 是導(dǎo)體表面，有，所以這個(gè)條件意味著導(dǎo)體表面電荷密度是已知的；另外，取場的對(duì)稱面或電

52、力線作為邊界，則有。這類邊值問題稱為第二類邊值問題，式中n表示邊界的外法向。（3）混合邊界條件在一部分邊界上電位滿足第一類邊界條件，而在另一部分邊界條件上電位滿足第二類邊界條件，即 （2-9） （2-10）這類邊值問題稱為混合型邊值問題。電場FEM工程仿真軟件選擇ANSOFT是一個(gè)高性能EDA軟件，該軟件基于二十五年以上的研究和發(fā)展，由世界領(lǐng)先的專家在電磁學(xué)，電路與系統(tǒng)仿真方面設(shè)計(jì)開發(fā)，該軟件專攻電磁有限元，計(jì)算方面也很精準(zhǔn)。ANSYS的公司成立于1970年，該公司著眼于發(fā)展開放和靈活的解決方案，使用戶能夠分析，設(shè)計(jì)，直接在桌面上，為快速、高效和成本意識(shí)的產(chǎn)品開發(fā)提供了一個(gè)共同的平臺(tái)。ANSY

53、S與ANSOFT相比，功能更強(qiáng)大，熱、流體、電磁、結(jié)構(gòu)都能分析，現(xiàn)在ANSYS已把ANSOFT收購，使得ANSYS在做電磁方面更有優(yōu)勢。COMSOL公司是全球多物理場建模與仿真解決方案的提倡者和領(lǐng)導(dǎo)者，其旗艦產(chǎn)品COMSOL MULTIPHYSICS,是工程師和科學(xué)家們可以通過模擬，賦予設(shè)計(jì)理念以生命，COMSOL MULTIPHYSICS以有限元法為基礎(chǔ)，通過求解偏微分方程（單場）或偏微分方程組（多場）來實(shí)現(xiàn)物理現(xiàn)象的仿真，被當(dāng)今世界科學(xué)家稱為“第一款真正的任意多物理場直接耦合分析軟件”。用數(shù)學(xué)方法求解真實(shí)世界的物理現(xiàn)象，COMSOL MULTIPHYSICS軟件以高效的計(jì)算性能和杰出的多場

54、雙向直接耦合分析能力實(shí)現(xiàn)了高度精確的數(shù)值仿真。目前已在聲學(xué)、生物科學(xué)、化學(xué)反應(yīng)、彌散、電磁學(xué)、流體動(dòng)力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)熱傳導(dǎo)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。由于本設(shè)計(jì)既要分析臍帶纜的電性能又要分析臍帶纜的熱性能，而ANSOFT只能分析電性能，COMSOL MULTIPHYSICS則側(cè)重于利用數(shù)學(xué)問題求解，所以，相比之下，我們選擇用ANSYS軟件。ANSYS多物理場（ANSYS/Multiphysics）軟件包各功能模塊如圖2-1所示。圖2-1 ANSYS多物理場軟件包各功能模塊在圖2-1各功能模塊中，結(jié)構(gòu)分析（ANSYS/Structural）模塊用于確定結(jié)構(gòu)的變形、應(yīng)變、應(yīng)力、斷裂、疲勞分析等；動(dòng)力學(xué)分

55、析模塊（ANSYS/LS-DYNA）用于模擬非常大的變形，并考慮所有的非線性行為，求解沖擊、碰撞、快速成型等問題；流體分析（ANSYS/FLOTRAN）用于確定流體的流動(dòng)及熱行為，提供強(qiáng)大的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析、聲學(xué)分析等功能。在本論文關(guān)注的電磁學(xué)與溫度場計(jì)算方面，ANSYS 熱分析（ANSYS/ Thermal）計(jì)算物體的穩(wěn)態(tài)或瞬態(tài)溫度分布，以及熱量的獲取或損失、熱梯度、熱通量等，包括相變 (熔化及凝固)、內(nèi)熱源 (例如電阻發(fā)熱等)、三種熱傳遞方式 (熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流、熱輻射)。電磁分析（ANSYS/Emag）用于計(jì)算磁場及電阻或電容系統(tǒng)的電場，磁場可由電流、永磁體、外加磁場等產(chǎn)生，計(jì)算的物理量

56、是磁通量密度、磁場密度、磁力、磁力矩、阻抗、電感、渦流損耗等，可以分析靜磁場、交變與瞬態(tài)磁場等；典型的電場分析物理量有電流密度、電荷密度、電場及電阻熱等。目前，ANSYS軟件不但提供經(jīng)典的APDL（ANSYS Parametric Design Language）仿真分析平臺(tái)，同時(shí)提供Workbench分析平臺(tái)，融合更多的ANSYS的核心技術(shù)，提供了ANSYS各產(chǎn)品模塊集成化的解決方案。通過實(shí)踐比較，ANSYS中的Workbench比APDL界面更人性化，操作起來比較方便，所以此論文中的模型分析采用Workbench平臺(tái)。電場ANSYS分析過程電場ANSYS分析流程圖ANSYS 分析電磁場問題

57、時(shí)，必須從3 個(gè)方面進(jìn)行考慮：（1）維數(shù) 在滿足精度要求和條件下，盡可能按2D場處理，否則3D 場的計(jì)算速度、工作量急劇上升。（2）場的類型 靜態(tài)、時(shí)諧、瞬態(tài)，若場僅由恒定源產(chǎn)生，則看作為靜態(tài)場；若場是正弦交流且頻率較低時(shí)，準(zhǔn)靜態(tài)場可用時(shí)諧場來處理。該場完全類似于電路中的相量法，分析的結(jié)果均用有效值、最大值或平均值來顯示；瞬態(tài)場是指場量隨時(shí)間的變化完全是任意的。（3）有限元方法 基于節(jié)點(diǎn)法或基于單元邊界法，傳統(tǒng)的有限元法均是基于節(jié)點(diǎn)法的，即每一節(jié)點(diǎn)均有若干個(gè)自由度， 對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的自由度列出有限元方程， 然后求解，其直觀性較好。電場有限元分析流程如圖2-2所示。電場ANSYS分析步驟1、第三方C

58、AD軟件建模根據(jù)模型具體情況，采用第三方CAD軟件，如Pro/Engineer、SolidWorks、UG（Unigraphics NX）、AutoCAD等，建立所分析模型的2D或3D結(jié)構(gòu)模型。對(duì)于附錄B中所示的中心管單元四鎧臍帶纜的結(jié)構(gòu)，在AutoCAD軟件中建立其橫截面的2D幾何模型，將臍帶纜中各組成部分所代表面域按附錄B結(jié)構(gòu)尺寸繪出，如圖2-3所示。開始第三方CAD開始第三方CAD軟件建模模型導(dǎo)入ANSYS軟件模型合格？劃分材料定義屬性產(chǎn)生剖分網(wǎng)格定義電壓載荷FEM求解計(jì)算分析結(jié)果與后處理調(diào)整材料絕緣合格？結(jié)束調(diào)整模型YNYN調(diào)整結(jié)構(gòu) 圖2-3 中心鋼管四鎧臍帶纜結(jié)構(gòu)CAD建模 2、模型

59、導(dǎo)入ANSYS分析平臺(tái)將圖2-3所示模型導(dǎo)入ANSYS 12.0 Workbench平臺(tái)對(duì)截面各部分進(jìn)行布爾（Boolean）運(yùn)算，得到各部分參與分析的面域單元，如圖2-4所示。圖2-4 導(dǎo)入ANSYS的臍帶纜端面結(jié)構(gòu)圖3、劃分材料并定義材料屬性按照附錄A表1材料相對(duì)介電常數(shù)表，為相同材料部分定義其材料特性，指定各單元屬性，如圖2-5所示。 （a）選擇材料填充單元 （b）選擇部分金屬材料單元圖2-5指定材料單元屬性4、模型網(wǎng)格剖分有限元分析網(wǎng)格生成就是將工作環(huán)境下的物體離散成簡單單元的過程，常用的簡單單元包括：一維桿元及集中質(zhì)量元、二維三角形、四邊形元和三維四面體元、五面體元和六面體元。他們的

60、邊界形狀主要有直線型、曲線型和曲面型。對(duì)于邊界為曲線（面）型的單元，有限元分析要求各邊或面上有若干點(diǎn)，這樣，既可保證單元的形狀，同時(shí)，又可提高求解精度、準(zhǔn)確性及加快收斂速度。不同維數(shù)的同一物體可以剖分為由多種單元混合而成的網(wǎng)格。網(wǎng)格剖分應(yīng)滿足以下要求：（1）合法性 一個(gè)單元的結(jié)點(diǎn)不能落入其他單元內(nèi)部，在單元邊界上的結(jié)點(diǎn)均應(yīng)作為單元的結(jié)點(diǎn)，不可丟棄。（2）相容性 單元必須落在待分區(qū)域內(nèi)部，不能落入外部，且單元并集等于待分區(qū)域。（3）逼近精確性 待分區(qū)域的頂點(diǎn)（包括特殊點(diǎn)）必須是單元的結(jié)點(diǎn)，待分區(qū)域的邊界（包括特殊邊及面）被單元邊界所逼近。（4）良好的單元形狀 單元最佳形狀是正多邊形或正多面體。（