动态电力电缆导体在不同滑移条件下的微动磨损与疲劳寿命演化机制研究

针对海上浮式风机动态电力电缆因波浪、洋流导致的导体层间微动磨损及疲劳失效问题，浙江大学团队通过建立修正Archard方程的有限元模型，系统研究了全滑移(gross slip)与部分滑移(partial slip)条件下摩擦系数(CoF)、法向载荷及滑移幅值对疲劳寿命的影响。研究发现全滑移磨损可延长导体寿命，而部分滑移则加速失效，揭示了临界滑移状态的存在，为高可靠性动态电缆设计提供了理论支撑。

　　

随着全球能源转型加速，海上风电作为可再生能源的重要支柱迅猛发展。然而严酷的海洋环境中，连接风机与电网的动态电力电缆却面临致命威胁——波浪、洋流和平台运动引发的持续循环弯曲，导致电缆导体内部金属丝间发生微米级相对滑动。这种被称为微动磨损(fretting wear)的现象，会像"隐形杀手"般逐渐侵蚀导体表面，最终诱发疲劳断裂。据统计，海上风电场80%的运行故障源于电缆问题，每次维修需耗费数百万美元。更棘手的是，导体层间接触存在全滑移(gross slip)和部分滑移(partial slip)两种状态，现有研究对磨损机制与疲劳寿命的关联性认知仍存空白。

浙江大学的Yifan Wang团队在《Marine Structures》发表的研究，首次建立了融合修正Archard方程的导体微动磨损有限元模型。通过对比解析解和实验数据验证模型可靠性后，采用临界平面法(critical plane approach)系统分析了摩擦系数(CoF)、法向载荷和滑移幅值的影响规律。关键技术包括：1) 将复杂三维接触简化为二维椭圆接触模型；2) 基于能量耗散的Archard方程迭代计算磨损深度；3) 通过Python脚本实现ABAQUS磨损形貌的实时更新；4) 结合SWT(Smith-Watson-Topper)参数评估多轴疲劳损伤。

FE model
研究创新性地将多层绞合导体的三维螺旋接触简化为二维模型，通过定义等效接触椭圆的长短轴，在ABAQUS中建立交叉圆柱接触对。采用用户子程序UMESHMOTION实现磨损形貌的动态更新，每100次循环迭代修正一次接触压力分布。材料本构采用Johnson-Cook模型表征铜导体的应变硬化效应。

Results and discussions
验证实验显示模型预测的磨损深度与实测误差小于8%。在全滑移条件下，磨损会形成平缓的"W"形疤痕，使接触压力分布均匀化，反而将疲劳寿命提升23%；而部分滑移产生的尖锐接触边缘会引发应力集中，使寿命降低35%。研究首次发现当滑移幅值达到临界值0.25mm时，磨损对寿命的影响呈现突变特征。摩擦系数超过0.3会显著加速磨损，而法向载荷增大则导致疲劳损伤从表面向次表面转移。

Conclusions
该研究揭示了动态电缆导体微动磨损的"双刃剑"效应：全滑移磨损通过优化接触压力分布成为"自我保护"机制，而部分滑移磨损则是"致命弱点"。提出的临界滑移状态判据为电缆设计提供了关键参数，当滑移幅值控制在0.15-0.3mm区间时，可兼顾柔性与耐久性。研究成果被应用于中国南方电网的深海风电项目，通过优化导体绞合角度将电缆寿命提升40%，为全球海上风电的可靠供电提供了重要技术支撑。