热-力耦合效应对动态电缆刚度特性的影响机制及工程应用研究

为解决动态电缆在服役期间因热-力耦合场导致的力学性能退化问题，研究人员通过渐近均匀化方法构建周期性边界有限元模型，系统分析了热膨胀和材料软化效应对电缆拉伸/弯曲刚度的差异化影响。结果表明热载荷使拉伸刚度降低32.54%（膨胀效应主导），弯曲刚度降低21.51%（软化效应主导），为海上风电动态电缆的优化设计和疲劳评估提供了关键数据。

　　

在深远海风电快速发展的背景下，动态电缆作为连接浮式平台与海底电网的"生命线"，面临着复杂环境载荷与电力传输热载荷的双重挑战。随着单机容量提升至66kV甚至未来132kV，导体发热导致的温升会引发材料软化、结构膨胀等热-力耦合效应，显著影响电缆的刚度特性。然而，传统研究多聚焦静态力学分析，对温度场与结构变形的相互作用机制缺乏系统认知，且全尺寸建模计算效率低下。针对这些瓶颈问题，大连理工大学的研究团队在《Applied Ocean Research》发表论文，创新性地将渐近均匀化方法应用于动态电缆的等效刚度分析。

研究采用周期性边界有限元模型（单元尺寸较全模型缩小66.7%），结合电-热耦合计算温度场分布，通过控制变量法分离热膨胀与软化效应。关键技术包括：基于Hertz接触理论量化层间接触压力变化；建立XLPE/HDPE聚合物随温度变化的弹性模量方程；采用周期性网格和C3D8/C3D6单元实现高效计算。

【模型几何与验证】
简化三芯电缆截面建立120mm周期模型，通过轴向应变EE=0.001和曲率EF₁=0.1的加载验证显示：拉伸刚度误差6.25%，弯曲刚度误差5.47%，计算效率提升6倍。600A电流下的温度场模拟显示导体最高温度89.98°C，符合IEC-60287标准。

【热-力耦合机制】
热膨胀使聚合物填充材料径向膨胀8%，导致拉伸刚度下降24.64%；而HDPE在90°C时弹性模量下降37%，致使弯曲刚度降低19.27%。耦合效应下，拉伸刚度降幅达32.54%（膨胀主导），弯曲刚度降幅21.51%（软化主导）。

【非线性弯曲特性】
有效张力从0.1%增至0.3%应变时，粘结区刚度提升50%，摩擦能耗增加165%；1MPa水静压力使粘结区刚度骤增66%，但超过2MPa后会影响滑移区特性。温度升高通过软化效应使弯曲滞回曲线面积缩减31%，而膨胀效应会增大截面惯性矩15%。

该研究首次量化了热载荷对动态电缆刚度的差异化影响机制，建立的快速评估模型为工程设计中刚度参数修正提供了理论依据。发现1MPa水静压力为接触特性转变阈值，为深水电缆设计提供关键参数。提出的周期性建模方法可推广至脐带缆、柔性立管等螺旋结构分析，对保障海上新能源基础设施的长期可靠性具有重要价值。