海洋拖曳缆接头高强连接设计研究

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拖曳缆是海洋资源开发中拖曳探测仪器的关键装备,其端部接头是实现缆体与上端浮体设备连接的重要部件,主要承担轴向荷载,随着海洋资源开发面向深水,接头的连接性能成为限制拖曳缆深水应用的关键瓶颈。我国拖曳缆接头的概念形式采取粘接式,主要面临粘接材料种类繁多、结构设计缺乏完善的理论指导以及没有形成规范的制造工艺流程的关键问题,致使其无法达到高强连接的标准。故本文分别从材料选型、结构设计、工艺缺陷、实验验证进行研究为高强连接性能接头的国产化提供参考,主要包括以下四个内容:(1)环氧树脂胶粘剂材料选型研究。提出了基于TOPSIS分析技术的材料选型方法,根据粘接式接头的受力特点,确定了拉伸强度、剪切强度、锚固强度为关键性能指标。针对四种常用的环氧树脂胶粘剂材料,开展了拉伸测试、剪切测试、锚固测试,根据测试结果在接头锚固系统的相对权重对四种环氧树脂胶粘剂的性能进行评估。(2)粘接式接头的结构设计研究。分析了三种粘接理论模型,确定连接力的计算方法,基于双线内聚力模型开展了脱粘失效的有限元分析,模拟轴向加载过程中粘接界面的损伤及失效的过程,实现了轴向承载能力的预测。并进一步分析了粘接式接头内部铠装钢丝结构参数对轴向承载力的影响,以数值分析结果为依据,对结构参数的取值范围进行讨论。(3)加工工艺缺陷对粘接式接头连接性能的影响研究。建立了单根钢丝粘接和多根钢丝粘接数值仿真模型,分析了不同缺陷类型(尺寸、位置、数量)对结构失效形式及轴向承载力的影响。并根据以上结论结合胶粘剂的工艺过程提出了三种大尺寸缺陷的消除方法。(4)完善设计前后的接头实例连接性能实验验证。提出了通过接头的轴向承载能力占缆体极限拉断力的百分比来评价接头的连接性能的方法,并加工完善设计前后的接头实例,进行断裂拉伸实验验证。
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