海洋动态电缆螺旋电力芯构件在轴向拉伸-弯曲耦合载荷下的应力分析与摩擦行为研究

针对海洋动态电缆在复杂载荷下螺旋电力芯构件的应力集中与摩擦接触难题，研究人员通过建立基于Darboux向量的双螺旋结构力学模型，结合Coulomb摩擦定律与多层压力传递理论，开发了轴向拉伸-弯曲耦合载荷下的非线性应力预测方法。该模型经FE仿真与HVDC电缆实验验证，为优化电缆机械性能提供关键技术支撑。

　　

随着全球碳中和目标的推进，海上风电装机容量年增长率达15%，动态电缆作为连接风机与海底电网的"生命线"，其螺旋电力芯构件在波浪载荷下的力学性能直接决定系统可靠性。然而，传统单螺旋简化模型无法捕捉双螺旋导体层间的接触应力集中，而有限元方法又存在计算效率低的瓶颈。这一矛盾严重制约了深海电缆的优化设计。

中国国家自然科学基金资助团队针对这一难题，创新性地引入微分几何中的Darboux向量（含曲率κ₁
、κ₂
和扭率τ），建立了包含单螺旋导体芯、双螺旋外层及绝缘层的全截面力学模型。通过ABAQUS构建三芯HVAC电缆三维模型，采用Hertz接触理论与Coulomb摩擦定律迭代求解接触应力，首次实现了对非线性耦合载荷下电缆截面应力分布的解析预测。

几何关系建模
通过螺旋线参数方程精确描述导体层中心线轨迹，建立层间几何约束方程。双螺旋结构的二阶螺旋特性被量化为轴向-周向耦合变形系数，为后续应力分析奠定基础。

截面应力分析
推导出轴向应力σ_z
与接触应力p_n
的平衡方程。结果显示：弯曲工况下外层导体最大应力较单螺旋模型高37%，且应力集中区随螺旋角α变化呈现周期性迁移。

摩擦模型构建
基于作用-反作用原理建立多层压力传递方程，引入摩擦系数μ的滞回效应模型。迭代计算表明：当弯曲曲率超过0.15 m^-1
时，层间滑移量骤增200%，导致接触应力分布重构。

有限元验证
对3 * 3结构HVDC电缆的仿真显示：在2 MN轴向拉力与15°弯曲角度耦合作用下，理论模型预测的导体应力与FE结果误差<8%，成功复现了实验观测的"应力双峰"现象。

该研究突破性地解决了双螺旋结构多尺度力学建模难题，提出的解析方法较传统FE分析效率提升20倍。模型准确预测了张力-弯矩耦合作用下的非线性应力响应，为动态电缆的疲劳寿命评估提供了新范式。特别是揭示的摩擦滑移效应，对优化导体层间接触设计具有重要指导意义。研究结果已应用于中国首个漂浮式风电动态电缆工程，使设计周期缩短40%。这项工作为深海能源装备的力学性能优化树立了新的技术标杆。