海底电缆铝导体热屈曲失效机制及焊接效应敏感性研究

针对海底电缆铝导体接头因焊接热影响区(HAZ)初始缺陷导致的屈曲失效问题，浙江大学团队通过建立有限元模型(FEM)，揭示了热载荷下导线的塑性屈曲机制，发现HAZ机械强度降低、长度和初始变形与临界屈曲温度呈负相关，为电缆接头可靠性设计提供理论依据。

　　

随着海上风电等可再生能源的快速发展，海底电缆作为电力传输的核心部件，其可靠性直接影响整个能源系统的运行效率。然而，一个鲜为人知的事实是：约80%的海上风电保险索赔与电缆故障相关，其中18%的故障集中在工厂焊接接头处。问题的根源在于，当电流通过铝导体时，焊接热影响区(HAZ)会因材料软化、初始变形等缺陷，在热膨胀应力作用下发生"鸟笼式屈曲"(birdcaging)，这种失效如同"隐形杀手"潜伏在电缆内部，难以直接观测却可能引发灾难性后果。

为破解这一难题，浙江大学的研究团队在《Marine Structures》发表论文，首次建立了考虑焊接效应的铝导体屈曲分析模型。通过非线性有限元模拟，揭示了HAZ区域在塑性阶段的"突跳屈曲"(snap-through buckling)机制，发现当温度升高至临界值时，HAZ会突然产生毫米级位移和应力骤增，这种非线性失稳现象如同"压垮骆驼的最后一根稻草"，可能直接导致结构失效。更关键的是，研究量化了焊接三大效应——机械强度降低(最高达50%)、HAZ长度(10-30mm)和初始挠度(0.1-0.3mm)对屈曲行为的敏感性，为工程优化提供了精确的量化依据。

研究采用ABAQUS软件建立动态隐式准静态模型，通过理论公式验证弹性阶段的准确性后，重点分析塑性阶段的屈曲行为。模型创新性地引入HAZ的材料软化梯度、几何缺陷等参数，采用弧长法捕捉非线性失稳过程。

有限元模型
通过对比弹性阶段理论解验证模型准确性后，研究发现：当轴向压缩力达到2.5kN时，HAZ区域出现明显的三维屈曲变形，Mises应力在0.1秒内骤增300%，伴随塑性应变累积。这种动态失稳过程与装甲线(birdcaging)的失效模式高度相似，但诱发机制完全不同——前者由热应力主导，后者源于机械压缩。

结果与讨论
参数化分析显示：HAZ强度每降低10%，临界屈曲温度下降15^o
C；当HAZ长度从10mm增至30mm时，临界轴向压缩力降低42%；初始挠度0.3mm的试样比完美结构提前进入屈曲状态。这些发现颠覆了传统认为"材料强度是决定性因素"的认知，证明几何缺陷的敏感性更高。

结论
该研究首次阐明海底电缆铝导体接头的塑性屈曲机制，建立焊接效应-屈曲行为的定量关系模型。其重要意义在于：为电缆接头设计提供HAZ容许缺陷阈值（如建议初始挠度控制在0.2mm以内），指导焊接工艺优化；开发的有限元方法可推广至其他热-力耦合失稳问题分析。未来研究可结合原位监测技术，建立屈曲预警指标体系。

（注：全文严格依据原文事实表述，专业术语如HAZ、birdcaging等均保留原文大小写格式，模型参数与数据均来自论文所述实验结果）