專(zhuān)利名稱(chēng)：一種光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光電復(fù)合海纜分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控測(cè)量技術(shù)，特別涉及一種光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，具體是指如何利用布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)設(shè)備提供的光纖溫度數(shù)據(jù)來(lái)獲取光電復(fù)合海纜的電纜導(dǎo)體溫度的方法。
背景技術(shù)：
光電復(fù)合海纜在運(yùn)行過(guò)程中，會(huì)因?yàn)榻^緣層老化、電源諧波過(guò)高、中間接頭不良或者電源電壓波動(dòng)、負(fù)載過(guò)重等因素引起熱擊穿，因此需要對(duì)光電復(fù)合海纜的導(dǎo)體溫度進(jìn)行 監(jiān)測(cè)，但是由于光電復(fù)合海纜敷設(shè)在海底中，無(wú)法直接測(cè)量導(dǎo)體的溫度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，在輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確的條件下，計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)與環(huán)境條件下的復(fù)合海纜的溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確度極高，與需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能得出光電復(fù)合海纜的電纜導(dǎo)體和光纖溫度之間非線性映射關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相較，無(wú)疑是簡(jiǎn)單方便多了。為了實(shí)現(xiàn)以上目的，本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的
一種光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，包含如下步驟
步驟I :在ANSYS有限元分析軟件中，建立光電復(fù)合海纜的幾何模型；
步驟2 :將光電復(fù)合海纜各組成材料的材料參數(shù)輸入ANSYS有限元分析軟件，建立光電復(fù)合海纜的有限元模型；
步驟3 :設(shè)定光電復(fù)合海纜的熱載荷工作電流、環(huán)境溫度以及對(duì)流換熱系數(shù)的取值范
圍；
步驟4 :對(duì)光電復(fù)合海纜的整體穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模；
步驟5 :對(duì)光電復(fù)合海纜的局部發(fā)熱穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模；
步驟6 :對(duì)光電復(fù)合海纜的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模。所述的步驟3中所述的熱載荷工作電流的取值范圍為[300，400]A，環(huán)境溫度的取值范圍為[_31，50]°C，對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍為[5，1000]W/(m2 · °C )。所述的步驟4包含如下子步驟
步驟4. I :對(duì)步驟I中所描述的光電復(fù)合海纜的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
步驟4.2 :根據(jù)步驟3中所述的熱載荷工作電流的取值范圍，取一個(gè)工作電流，輸入生熱率熱載荷；
步驟4. 3 :根據(jù)步驟3中所述的環(huán)境溫度的取值范圍，設(shè)定光電復(fù)合海纜的邊界條件環(huán)^!■溫度；
步驟4. 4 :根據(jù)步驟3中所述的對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍，設(shè)定光電復(fù)合海纜的邊界條件對(duì)流換熱系數(shù)；
步驟4. 5 :進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析；步驟4. 6 :獲取光電復(fù)合海纜的光纖與導(dǎo)體的溫度；
步驟4. 7 :將處理所得結(jié)果輸入光電復(fù)合海纜光纖溫度與電纜導(dǎo)體溫度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。所述的步驟5包含如下子步驟
步驟5. I :在ANSYS有限元分析軟件中，根據(jù)步驟I中所述的光電復(fù)合海纜的物理結(jié)構(gòu)尺寸圖建立的幾何模型，設(shè)定光電復(fù)合海纜的長(zhǎng)度；
步驟5. 2 :根據(jù)步驟2中所獲取的光電復(fù)合海纜各組成材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，取光電復(fù)合 海纜的正中心一段長(zhǎng)度的絕緣部分，設(shè)定其熱傳導(dǎo)系數(shù)；
步驟5. 3 :步驟5. I中所設(shè)定的長(zhǎng)度的光電復(fù)合海纜的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分；
步驟5. 4 :依次重復(fù)執(zhí)行所述的步驟4的步驟4. 2、步驟4. 3、步驟4. 4、步驟4. 5、步驟4. 6、步驟 4. 7。所述的步驟6包含如下子步驟
步驟6. I :重復(fù)步驟I ;
步驟6. 2 :在ANSYS有限元分析軟件中，輸入光電復(fù)合海纜各組成材料的材料參數(shù)； 步驟6. 3 :重復(fù)步驟4中的步驟4. I、步驟4. 2 ；
步驟6. 4 :根據(jù)步驟3中所述的環(huán)境溫度的取值范圍，取光電復(fù)合海纜的邊界條件環(huán)境溫度;
步驟6. 5 :根據(jù)步驟3中所述的對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍，取光電復(fù)合海纜的邊界條件對(duì)流換熱系數(shù)；
步驟6. 6 :進(jìn)行瞬態(tài)熱分析；
步驟6. 7 :步驟4中的步驟4. 6 ；
步驟6.8 :獲取光電復(fù)合海纜中導(dǎo)體與光纖溫度在通電電流發(fā)生改變時(shí)的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間和光纖溫度發(fā)生變化所需的時(shí)間。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)
1、在輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確的條件下，計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)與環(huán)境條件下的復(fù)合海纜的溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確度極高；
2、與需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能得出光電復(fù)合海纜的電纜導(dǎo)體和光纖溫度之間非線性映射關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相比，非常簡(jiǎn)單方便。


圖I為本發(fā)明一種光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法的海纜結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，通過(guò)詳細(xì)說(shuō)明一個(gè)較佳的具體實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步闡述。一種光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，包含如下步驟
步驟I :獲取光電復(fù)合海纜I的物理結(jié)構(gòu)尺寸圖，建立其幾何模型。在ANSYS有限元分析軟件中，根據(jù)光電復(fù)合海纜的物理結(jié)構(gòu)尺寸圖，建立其幾何模型。在本實(shí)施例中，型號(hào)為HYJQ41-26/35KV-3*185+SM3*10C的海纜結(jié)構(gòu)示意圖如圖I所示。步驟2 :通過(guò)外部的布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)設(shè)備獲取光電復(fù)合海纜各組成材料的材料參數(shù)，在本實(shí)施例中，所述的材料參數(shù)包含密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)，建立光電復(fù)合海纜I的有限元模型。步驟3 :列出熱載荷工作電流I、環(huán)境溫度T、對(duì)流換熱系數(shù)H的范圍，在本實(shí)施例中，設(shè)定熱載荷工作電流I取值范圍為[300，400]A，環(huán)境溫度T的取值范圍為[-31，50] °C，對(duì)流換熱系數(shù)H的取值范圍為[5，1000] W/(m2 · °C )。步驟4 :對(duì)光電復(fù)合海纜I的整體穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模。該整體穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)建模包含如下子步驟
步驟4. I :對(duì)步驟I中所描述的光電復(fù)合海纜I的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。步驟4. 2 :取工作電流I為300A，根據(jù)生熱率Q=I2R/ (LS)，輸入生熱率熱載荷，其中，R為光電復(fù)合海纜I的導(dǎo)體14的電阻、L為光電復(fù)合海纜I的長(zhǎng)度、S為光電復(fù)合海纜I的導(dǎo)體14的橫截面積；在本實(shí)施例中，型號(hào)為HYJQ41-26/35KV-3*185+SM3*10C的海纜的導(dǎo)體為銅芯。 步驟4. 3 :設(shè)定光電復(fù)合海纜I的第一溫度邊界條件環(huán)境溫度為_(kāi)31°C。步驟4. 4 :設(shè)定光電復(fù)合海纜I的第一對(duì)流換熱系數(shù)邊界條件對(duì)流換熱系數(shù)為5ff/ (m2 · 0C ) ο步驟4. 5 :進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析。步驟4. 6 :對(duì)于計(jì)算所得結(jié)果進(jìn)行后處理，以獲取光電復(fù)合海纜I的光纖12溫度與導(dǎo)體14的溫度。步驟4. 7 :將處理所得結(jié)果輸入光電復(fù)合海纜I的光纖12的溫度與導(dǎo)體14的溫度的對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中，該數(shù)據(jù)庫(kù)用于光電復(fù)合海纜在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，根據(jù)BOTDA設(shè)備所獲光纖12的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行查表并顯示光電復(fù)合電纜I的導(dǎo)體14的溫度。步驟5 :對(duì)光電復(fù)合海纜I的局部發(fā)熱穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模。該局部發(fā)熱穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)建模包含如下子步驟
步驟5. I :在ANSYS有限元分析軟件中，根據(jù)步驟I中所述的光電復(fù)合海纜I的物理結(jié)構(gòu)尺寸圖建立的幾何模型，在本實(shí)施例中，設(shè)定光電復(fù)合海纜I的長(zhǎng)度L為10. I米，可以便于取光電復(fù)合海纜I的中間5nT5. Im處長(zhǎng)度為O. Im的絕緣部分，以修改其熱傳導(dǎo)系數(shù)。步驟5. 2 :根據(jù)步驟2中所獲取的光電復(fù)合海纜I各組成材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，取光電復(fù)合海纜I的正中心O. I米長(zhǎng)度的絕緣部分11，絕緣部分11如圖I所示，設(shè)定其熱傳導(dǎo)系數(shù)為O. OOlW/ (m· °C)，使其遠(yuǎn)小于絕緣材料本身的熱傳導(dǎo)系數(shù)，從而得到其發(fā)熱狀態(tài)下的材料特性。步驟5. 3 :步驟5. I中所述的長(zhǎng)度為10. I米的光電復(fù)合海纜I的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。步驟5. 4 :依次重復(fù)執(zhí)行步驟4的步驟4. 2、步驟4. 3、步驟4. 4、步驟4. 5、步驟4. 6、步驟4. 7。步驟6 :對(duì)光電復(fù)合海纜I的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模。將光電復(fù)合海纜I的通電電流從O突變?yōu)?00A，該瞬態(tài)溫度場(chǎng)建模包含如下子步驟
步驟6. I :重復(fù)步驟I。步驟6. 2 :在ANSYS有限元分析軟件中，輸入光電復(fù)合海纜I各組成材料的材料參數(shù)，在本實(shí)施例中，所述的材料參數(shù)包含密度、比熱容、熱傳導(dǎo)系數(shù)。
步驟6. 3 :重復(fù)步驟4中的步驟4. I、步驟4. 2。步驟6. 4 :取光電復(fù)合海纜I的第二溫度邊界條件為環(huán)境溫度20°C。步驟6. 5 :取光電復(fù)合海纜I的第二對(duì)流換熱系數(shù)邊界條件為對(duì)流換熱系數(shù)8W/(m2 · °C ) ο步驟6. 6 :將光電復(fù)合海纜I的通電電流從O突變?yōu)?00A，進(jìn)行瞬態(tài)熱分析。步驟6. 7 :步驟4中的步驟4. 6。步驟6. 8 :獲取光電復(fù)合海纜I中導(dǎo)體14與光纖12的溫度在通電電流發(fā)生改變時(shí)的①導(dǎo)體14溫度與光纖12的溫度不再升高，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間；②光纖12的溫度發(fā)生變化所需的時(shí)間。 在本實(shí)施例中，步驟5與步驟6中所得的溫度與時(shí)間數(shù)據(jù)，用來(lái)對(duì)光電復(fù)合海纜I發(fā)生異常時(shí)，BOTDA所獲光纖12的溫度數(shù)據(jù)，進(jìn)行判斷此時(shí)光電復(fù)合海纜I處于何種運(yùn)行狀態(tài)下。綜上所述，本發(fā)明是一種光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，在輸入?yún)?shù)準(zhǔn)確的條件下，計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)與環(huán)境條件下的復(fù)合海纜的溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確度極高，與需要大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，才能得出光電復(fù)合海纜的電纜導(dǎo)體和光纖溫度之間非線性映射關(guān)系的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法相較，無(wú)疑是簡(jiǎn)單方便多了。盡管本發(fā)明的內(nèi)容已經(jīng)通過(guò)上述優(yōu)選實(shí)施例作了詳細(xì)介紹，但應(yīng)當(dāng)認(rèn)識(shí)到上述的描述不應(yīng)被認(rèn)為是對(duì)本發(fā)明的限制。在本領(lǐng)域技術(shù)人員閱讀了上述內(nèi)容后，對(duì)于本發(fā)明的多種修改和替代都將是顯而易見(jiàn)的。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)由所附的權(quán)利要求來(lái)限定。
權(quán)利要求
1.一種光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，其特征在于，包含如下步驟 步驟I :在ANSYS有限元分析軟件中，建立光電復(fù)合海纜的幾何模型； 步驟2 :將光電復(fù)合海纜各組成材料的材料參數(shù)輸入ANSYS有限元分析軟件，建立光電復(fù)合海纜的有限元模型； 步驟3 :設(shè)定光電復(fù)合海纜的熱載荷工作電流、環(huán)境溫度以及對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍； 步驟4 :對(duì)光電復(fù)合海纜的整體穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模； 步驟5 :對(duì)光電復(fù)合海纜的局部發(fā)熱穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模； 步驟6 :對(duì)光電復(fù)合海纜的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模。
2.如權(quán)利要求I所述的光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，其特征在于，所述的步驟3中所述的熱載荷工作電流的取值范圍為[300，400]A，環(huán)境溫度的取值范圍為[-31，50]°C，對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍為[5，1000]W/(m2 · °C )。
3.如權(quán)利要求2所述的光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，其特征在于，所述的步驟4包含如下子步驟 步驟4. I :對(duì)步驟I中所描述的光電復(fù)合海纜的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 步驟4.2 :根據(jù)步驟3中所述的熱載荷工作電流的取值范圍，取一個(gè)工作電流，輸入生熱率熱載荷； 步驟4. 3 :根據(jù)步驟3中所述的環(huán)境溫度的取值范圍，設(shè)定光電復(fù)合海纜的邊界條件環(huán)^!■溫度； 步驟4. 4 :根據(jù)步驟3中所述的對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍，設(shè)定光電復(fù)合海纜的邊界條件對(duì)流換熱系數(shù)； 步驟4. 5 :進(jìn)行穩(wěn)態(tài)熱分析； 步驟4. 6 :獲取光電復(fù)合海纜的光纖與導(dǎo)體的溫度； 步驟4. 7 :將處理所得結(jié)果輸入光電復(fù)合海纜光纖溫度與電纜導(dǎo)體溫度對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫(kù)中。
4.如權(quán)利要求3所述的光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，其特征在于，所述的步驟5包含如下子步驟 步驟5. I :在ANSYS有限元分析軟件中，根據(jù)步驟I中所述的光電復(fù)合海纜的物理結(jié)構(gòu)尺寸圖建立的幾何模型，設(shè)定光電復(fù)合海纜的長(zhǎng)度； 步驟5. 2 :根據(jù)步驟2中所獲取的光電復(fù)合海纜各組成材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)，取光電復(fù)合海纜的正中心一段長(zhǎng)度的絕緣部分，設(shè)定其熱傳導(dǎo)系數(shù)； 步驟5. 3 :步驟5. I中所設(shè)定的長(zhǎng)度的光電復(fù)合海纜的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分； 步驟5. 4 :依次重復(fù)執(zhí)行所述的步驟4的步驟4. 2、步驟4. 3、步驟4. 4、步驟4. 5、步驟4.6、步驟 4. 7。
5.如權(quán)利要求4所述的光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，其特征在于，所述的步驟6包含如下子步驟 步驟6. I :重復(fù)步驟I ; 步驟6. 2 :在ANSYS有限元分析軟件中，輸入光電復(fù)合海纜各組成材料的材料參數(shù)； 步驟6. 3 :重復(fù)步驟4中的步驟4. I、步驟4. 2 ；步驟6. 4 :根據(jù)步驟3中所述的環(huán)境溫度的取值范圍，取光電復(fù)合海纜的邊界條件環(huán)境溫度; 步 驟6. 5 :根據(jù)步驟3中所述的對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍，取光電復(fù)合海纜的邊界條件對(duì)流換熱系數(shù)； 步驟6. 6 :進(jìn)行瞬態(tài)熱分析； 步驟6. 7 :步驟4中的步驟4. 6 ； 步驟6.8 :獲取光電復(fù)合海纜中導(dǎo)體與光纖溫度在通電電流發(fā)生改變時(shí)的達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)所需的時(shí)間和光纖溫度發(fā)生變化所需的時(shí)間。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種光電復(fù)合海纜溫度場(chǎng)建模計(jì)算分析方法，包含如下步驟步驟1在ANSYS有限元分析軟件中，建立光電復(fù)合海纜的幾何模型；步驟2將光電復(fù)合海纜各組成材料的材料參數(shù)輸入ANSYS有限元分析軟件，建立光電復(fù)合海纜的有限元模型；步驟3設(shè)定光電復(fù)合海纜的熱載荷工作電流、環(huán)境溫度以及對(duì)流換熱系數(shù)的取值范圍；步驟4對(duì)光電復(fù)合海纜的整體穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模；步驟5對(duì)光電復(fù)合海纜的局部發(fā)熱穩(wěn)態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模；步驟6對(duì)光電復(fù)合海纜的瞬態(tài)溫度場(chǎng)進(jìn)行建模。本發(fā)明計(jì)算復(fù)雜結(jié)構(gòu)與環(huán)境條件下的復(fù)合海纜的溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確度極高；無(wú)需大量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，即可得出光電復(fù)合海纜的導(dǎo)體和光纖溫度之間的非線性映射關(guān)系，簡(jiǎn)單方便。
文檔編號(hào)G06F17/50GK102880747SQ20121032678
公開(kāi)日2013年1月16日 申請(qǐng)日期2012年9月6日 優(yōu)先權(quán)日2012年9月6日
發(fā)明者劉頻頻, 安博文, 周靈, 周蓉蓉 申請(qǐng)人:上海海事大學(xué)