海洋動(dòng)態(tài)纜截面設(shè)計(jì)和靜態(tài)分析數(shù)值模擬研究?

林 超， 郭海燕??， 牛建杰, 張 濤

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島漢纜股份有限公司，山東 青島 266100)

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海洋動(dòng)態(tài)纜截面設(shè)計(jì)和靜態(tài)分析數(shù)值模擬研究?

林 超1， 郭海燕1??， 牛建杰1, 張 濤2

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100；2.青島漢纜股份有限公司，山東 青島 266100)

伴隨著南海深水油氣資源開(kāi)采的發(fā)展，動(dòng)態(tài)纜需求快速增加，其能夠集成諸多功能服務(wù)于水下生產(chǎn)系統(tǒng)，同時(shí)在環(huán)境荷載作用下具備良好的順應(yīng)性，是海洋油氣開(kāi)采重要的連接設(shè)備之一。動(dòng)態(tài)纜的螺旋形式結(jié)構(gòu)復(fù)雜，其力學(xué)性能分析十分困難。針對(duì)海洋動(dòng)態(tài)纜分析軟件缺乏的現(xiàn)狀，采用MATLAB開(kāi)發(fā)了海洋動(dòng)態(tài)纜截面設(shè)計(jì)和靜態(tài)分析數(shù)值模擬軟件NSCSU 1.0，并通過(guò)與專(zhuān)業(yè)分析軟件OrcaFlex進(jìn)行結(jié)果比較，驗(yàn)證了模擬軟件的有效性。考慮到大變形特征，動(dòng)態(tài)纜的靜態(tài)平衡位形和整體力學(xué)響應(yīng)的計(jì)算分析采用能解決幾何非線性的細(xì)長(zhǎng)柔性桿模型；結(jié)構(gòu)剛度分析采用Knapp拉扭理論和Costello彎曲理論。該軟件可以對(duì)動(dòng)態(tài)纜布局的關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，計(jì)算精度滿(mǎn)足工程應(yīng)用需要；界面簡(jiǎn)單、操作靈活，可應(yīng)用于動(dòng)態(tài)纜初步設(shè)計(jì)階段，為相關(guān)分析軟件開(kāi)發(fā)提供一定的借鑒。

柔性桿理論；圖形用戶(hù)界面；波浪型；有效張力；位形

動(dòng)態(tài)纜是由電纜、光纖、液壓鋼管等構(gòu)成的螺旋集成管線，進(jìn)行水下生產(chǎn)系統(tǒng)和水上作業(yè)平臺(tái)間電力、信號(hào)和流體介質(zhì)的傳輸，是海洋油氣開(kāi)發(fā)必不可少的“生命線”[1]。動(dòng)態(tài)纜大長(zhǎng)細(xì)比特性導(dǎo)致運(yùn)行期間會(huì)出現(xiàn)大位移、大轉(zhuǎn)角運(yùn)動(dòng)，剛度矩陣和瞬時(shí)位形緊密相關(guān)，導(dǎo)致了動(dòng)態(tài)纜的設(shè)計(jì)分析要比傳統(tǒng)剛性立管復(fù)雜得多，在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)階段必須進(jìn)行考慮幾何非線性的整體靜態(tài)分析，即求解整體結(jié)構(gòu)在自重、外部流體、頂部浮體偏移等荷載作用下的靜力響應(yīng)(位形、張力等)，同時(shí)為動(dòng)態(tài)分析提供精準(zhǔn)的初始參考。目前，國(guó)外廣泛使用的整體分析軟件是OrcaFlex[2]和FlexCom 3d[3]，這些軟件可對(duì)動(dòng)態(tài)纜進(jìn)行三維靜態(tài)分析和動(dòng)態(tài)分析，但沒(méi)有考慮動(dòng)態(tài)纜復(fù)雜的截面結(jié)構(gòu)，只是將剛度等截面參數(shù)作為一個(gè)輸入變量，這些變量來(lái)自于和外徑有關(guān)的經(jīng)驗(yàn)公式或者局部分析軟件；國(guó)內(nèi)對(duì)動(dòng)態(tài)纜的分析大多依賴(lài)于現(xiàn)有的商業(yè)軟件[4-5]，很少有進(jìn)行自主開(kāi)發(fā)相關(guān)軟件的嘗試。

本文開(kāi)發(fā)的海洋動(dòng)態(tài)纜截面設(shè)計(jì)和靜態(tài)分析數(shù)值模擬軟件NSCSU 1.0，集成動(dòng)態(tài)纜的截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與剛度計(jì)算、整體線型設(shè)計(jì)與優(yōu)化、靜態(tài)力學(xué)響應(yīng)計(jì)算等功能。NSCSU可以模擬簡(jiǎn)單懸鏈線型和陡峭波浪型兩種常見(jiàn)管纜線型，界面清晰友好，使用方便，可用于結(jié)構(gòu)初步設(shè)計(jì)階段，為我國(guó)相關(guān)分析軟件開(kāi)發(fā)提供一定的借鑒作用。

1 計(jì)算原理

1.1 柔性桿模型

柔性桿模型可以避免復(fù)雜的坐標(biāo)系間的轉(zhuǎn)換，直接在全局坐標(biāo)系下建立其控制方程，同時(shí)考慮了全部的幾何非線性。

圖1 柔性桿模型示意圖

(1)

M′+r′×F+m=0。

(2)

式中：ρ是單位長(zhǎng)度質(zhì)量；q是單位長(zhǎng)度分布外力；m是單位長(zhǎng)度分布外力矩；F是截面內(nèi)力；M是截面彎矩和扭矩H之和，則內(nèi)力矩M可表示為：

M=r′×EIr″+Hr′。

(3)

通常，動(dòng)態(tài)纜等細(xì)長(zhǎng)柔性結(jié)構(gòu)可以忽略扭矩和分布外力矩作用，將式(3)代入式(2)并令H=0,m=0可得：

(4)

(5)

如果桿變形產(chǎn)生的伸長(zhǎng)量為小量，運(yùn)動(dòng)方程仍然成立，同時(shí)變形條件可以近似為[7]：

(6)

1.2 荷載分析

用于動(dòng)態(tài)纜靜態(tài)分析的外荷載包括自重、內(nèi)外流體靜壓力和水動(dòng)力，它們均以分布外力的形式施加，故柔性桿運(yùn)動(dòng)方程中的外荷載q可表示為：

q=w+Fs+Fd。

(7)

式中：w是單位長(zhǎng)度自重；Fs是單位長(zhǎng)度靜壓力；Fd是單位長(zhǎng)度水動(dòng)力，采用針對(duì)傾斜圓柱體Morison方程計(jì)算：

Fs=B+(Pr′)′，

(8)

(9)

1.3 有限元離散

聯(lián)合式(5)至式(8)得到柔性桿控制方程，張量形式如下：

(10)

(11)

(12)

(13)

1.4 靜態(tài)分析

靜態(tài)分析中，采用Newton-Raphson方法迭代求解非線性方程(12)和(13)，同時(shí)忽略方程(12)中的慣性力項(xiàng)，最后矩陣形式如下[7]：

(14)

(15)

為了得到靜態(tài)的平衡位形，需要根據(jù)上面的公式進(jìn)行迭代計(jì)算。計(jì)算流程如下：

(1)使用經(jīng)典懸鏈線方程計(jì)算出僅考慮自重情況下的靜態(tài)位形和張力；

(2)將過(guò)程(1)中的結(jié)果作為y的初始值y0；

(3)根據(jù)yi計(jì)算得到Ki、Fi(i=0,1,2,…)；

(4)利用方程(14)計(jì)算得到Δy；

(5)當(dāng)Δy小于容許誤差，則中止計(jì)算，否則，令y(i+1)=y(i)+Δy，重復(fù)過(guò)程(3)到過(guò)程(5)。

1.5 剛度計(jì)算

圖2 動(dòng)態(tài)纜截面布局

如圖2，動(dòng)態(tài)纜內(nèi)部由螺旋纏繞的多種功能單元構(gòu)成，外部結(jié)構(gòu)為鎧裝鋼絲層，其多層、螺旋結(jié)構(gòu)導(dǎo)致剛度計(jì)算復(fù)雜。柔性桿控制方程中的拉伸剛度EA和彎曲剛度EI采用Knapp拉扭理論[8]和Costello彎曲理論[9]計(jì)算：

(16)

(17)

(18)

(19)

式中：n是螺旋單元個(gè)數(shù)；i代表螺旋單元；c代表中心圓柱；α是螺旋角度；Rc是中心圓柱半徑；Ri是節(jié)圓半徑；當(dāng)Θ=1，中心圓柱不可壓縮；當(dāng)Θ=0，中心圓柱為剛性；Δφ是扭轉(zhuǎn)角；ΔL是伸長(zhǎng)量。

1.6 浮筒等效

實(shí)際工程中，在動(dòng)態(tài)纜的某段區(qū)域裝配若干浮筒構(gòu)造波浪型位形以獲得良好的結(jié)構(gòu)響應(yīng)。浮筒通常按圖3所示的方式進(jìn)行布置，但在荷載分析階段或?qū)嶋H裝配的浮筒尺寸未知的設(shè)計(jì)初期，將附有浮筒的纜段等效成具有均勻直徑的纜段更加高效、方便。

圖3 浮筒布置方式

浮筒等效前后遵循單位長(zhǎng)度的體積、質(zhì)量不變的原則，那么，等效管段外徑OD、單位長(zhǎng)度質(zhì)量M分別為[2]：

(20)

(21)

式中：Dp是動(dòng)態(tài)纜外徑；Df是浮筒外徑；Lf是浮筒長(zhǎng)度；Sf是浮筒節(jié)距；Mp是動(dòng)態(tài)纜單位長(zhǎng)度質(zhì)量；ρf是浮筒密度；Mfh是附屬質(zhì)量。

2 用戶(hù)界面設(shè)計(jì)

本文基于MATLAB平臺(tái)的GUIDE環(huán)境工具，開(kāi)發(fā)了海洋動(dòng)態(tài)纜截面設(shè)計(jì)和靜態(tài)分析數(shù)值模擬軟件NSCSU1.0的圖形用戶(hù)界面，實(shí)現(xiàn)線型布局和力學(xué)響應(yīng)的圖形化、數(shù)值化。

GUIDE可視化編程需要完成兩項(xiàng)工作：第一，GUI圖形界面布局，依據(jù)圖形界面需實(shí)現(xiàn)的功能，使用坐標(biāo)軸、按鈕和文本框等組件，設(shè)計(jì)一個(gè)圖形用戶(hù)界面，保存在FIG文件中。第二，GUI編程，用戶(hù)在自動(dòng)生成的M文件框架下編寫(xiě)GUI對(duì)象的回調(diào)函數(shù)(Callback)，這樣M文件中包含了運(yùn)行GUI所需要的所有代碼。回調(diào)函數(shù)的編寫(xiě)是整個(gè)界面設(shè)計(jì)的核心。

如圖4所示，軟件包括參數(shù)輸入模塊、分析設(shè)計(jì)模塊和結(jié)果輸出模塊。分析設(shè)計(jì)主要包含線型設(shè)計(jì)和靜力分析，是軟件的核心模塊；參數(shù)輸入是前處理模塊，包括截面、流體、線型界面；結(jié)果輸出是后處理模塊，通過(guò)圖和表的形式顯示平衡位形以及張力等靜態(tài)響應(yīng)。

圖4 軟件結(jié)構(gòu)

2.1 參數(shù)輸入模塊

參數(shù)輸入的主要功能是獲取用戶(hù)輸入的數(shù)值，并賦值到預(yù)定義的變量，主要界面如圖5～7所示。此模塊主要用到了Edit Text、Push Button和Pop-up Menu等組件。

圖5 流體參數(shù)

圖6 截面參數(shù)(電纜單元)

圖7 波浪型參數(shù)

參數(shù)輸入關(guān)鍵在于將Edit Text或Pop-up Menu的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無(wú)誤地賦值給MATLAB工作空間的全局變量，以便跨界面調(diào)用。以流體參數(shù)中托曳力系數(shù)Cd為例，global聲明CD為全局變量，將Edit Text的Tag修改為Cd，采用CD=str2num(get(handles.Cd,'string'))語(yǔ)句即可實(shí)現(xiàn)該功能。這樣就成功的將用戶(hù)輸入的數(shù)值“轉(zhuǎn)移”到MATLAB工作空間。

截面參數(shù)主要用于進(jìn)行功能單元設(shè)計(jì)、截面布局設(shè)計(jì)和加強(qiáng)構(gòu)件設(shè)計(jì)。功能單元包括電纜單元、光纖單元和鋼管單元，這三類(lèi)單元的截面結(jié)構(gòu)完全符合實(shí)際應(yīng)用對(duì)功能單元結(jié)構(gòu)形式的要求。加強(qiáng)構(gòu)件包括鎧裝鋼絲層、護(hù)套和填充繩，其中鎧裝鋼絲層可以支持四層。截面布局設(shè)計(jì)分為中心層設(shè)計(jì)和外層設(shè)計(jì)，中心層可設(shè)計(jì)為螺旋層或軸對(duì)稱(chēng)層。

流體參數(shù)用來(lái)指定流體速度截面和水動(dòng)力系數(shù)。

線型參數(shù)包括簡(jiǎn)單懸鏈線型和陡峭波浪型兩種線型，用來(lái)指定動(dòng)態(tài)纜的邊界條件、幾何布局參數(shù)和離散單元數(shù)等。

2.2 分析設(shè)計(jì)模塊

分析設(shè)計(jì)是軟件的核心模塊。考慮重力、浮力、浮體偏移和海流荷載的作用，應(yīng)用公式(14)對(duì)動(dòng)態(tài)纜進(jìn)行靜態(tài)分析，設(shè)計(jì)動(dòng)態(tài)纜的長(zhǎng)度、浮筒的尺寸以及系統(tǒng)布局等參數(shù)。線型設(shè)計(jì)可對(duì)諸多結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行敏感性分析，確定最佳尺寸；靜力分析能夠考慮浮體近位、遠(yuǎn)位以及平面外偏移，組合不同方向、速度的海流，檢驗(yàn)動(dòng)態(tài)纜是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

分析設(shè)計(jì)過(guò)程實(shí)質(zhì)是一系列大型矩陣運(yùn)算，為提高運(yùn)算速度，將相互嵌套的程序代碼編寫(xiě)為函數(shù)文件而非腳本文件[10]，同時(shí)使用zeros函數(shù)對(duì)變量空間進(jìn)行預(yù)定義。

2.3 結(jié)果輸出模塊

2.3.1 圖形結(jié)果 圖形結(jié)果界面集成了三維位形圖(XYZ)、俯視圖(XY)、正視圖(XZ)、側(cè)視圖(YZ)、曲率圖、彎矩圖、張力圖，并設(shè)置為互斥關(guān)系，可根據(jù)需要逐一查看。偏移單選按鈕在對(duì)應(yīng)的浮體偏移分析完成后即可激活，且設(shè)置為共存關(guān)系。在同一坐標(biāo)系下，不同偏移形式的圖形曲線可以任意組合顯示。點(diǎn)擊圖形編輯按鈕進(jìn)入圖形編輯界面，進(jìn)行坐標(biāo)旋轉(zhuǎn)，獲取節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)值以及圖形打印、保存為圖片文件等操作。

2.3.2 數(shù)值結(jié)果 使用VideoSoft FlexArray Control控件以表格形式顯示數(shù)值結(jié)果[11]，包括X向位移、Y向位移、Z向位移、張力、彎矩和曲率。節(jié)點(diǎn)的最大位移、最大張力、最大曲率和最大彎矩將加粗顯示。點(diǎn)擊數(shù)據(jù)導(dǎo)出按鈕可以將計(jì)算結(jié)果導(dǎo)出到Excel表格。

2.4 編譯發(fā)布

MATLAB編譯可對(duì)GUI文件進(jìn)行編譯起到保密的作用，進(jìn)一步發(fā)布成在Windows平臺(tái)(需MATLAB組件運(yùn)行環(huán)境MCR)運(yùn)行的可執(zhí)行程序。在MATLAB命令窗口中輸入mbuild-setup命令安裝合適的編譯器，接著運(yùn)行deploytool命令，即可調(diào)用MATLAB編譯發(fā)布工具箱進(jìn)行編譯打包FIG文件和M文件。

3 實(shí)例演示

對(duì)某工程220m動(dòng)態(tài)纜進(jìn)行陡峭波浪型分析，浮筒從距離底端20 m處開(kāi)始布置，分布長(zhǎng)度為40m，具體參數(shù)如圖5、7所示。如圖2所示，動(dòng)態(tài)纜采用中心鋼管雙鎧裝布局形式，所有功能單元的外徑均為15.6mm。外層功能單元包括6根鋼管單元、1根光纖單元和2根電纜單元，忽略填充繩對(duì)結(jié)構(gòu)剛度的影響，具體參數(shù)如表1所示。

表1 動(dòng)態(tài)纜尺寸

利用本文的NSCSU與國(guó)內(nèi)外常用OrcaFlex軟件對(duì)上述工況下動(dòng)態(tài)纜進(jìn)行分析，得到的靜態(tài)分析的部分結(jié)果如圖8、9所示。NSCSU的計(jì)算結(jié)果與OrcaFlex的計(jì)算結(jié)果吻合良好，二者的計(jì)算結(jié)果曲線形狀和變化規(guī)律一致。

圖8 NSCSU與OrcaFlex位形結(jié)果比較

圖9 NSCSU與OrcaFlex張力結(jié)果比較

計(jì)算結(jié)果表明，在外部海流作用下，浮筒段的浮力作用使得動(dòng)態(tài)纜浮筒段及其以下長(zhǎng)度明顯遠(yuǎn)離海底，有效張力從底部起呈現(xiàn)先增大后減小再增大的變化趨勢(shì)。圖8中二者的位形數(shù)值上相差不多，最大誤差為5%左右；而圖9中二者的有效張力幾乎完全吻合。因而，本文開(kāi)發(fā)的NSCSU軟件是可行，其計(jì)算精度滿(mǎn)足工程應(yīng)用需要。

浮筒外徑是波浪型動(dòng)態(tài)纜的重要參數(shù)，在設(shè)計(jì)期間需進(jìn)行敏感性分析，進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化確定最佳尺寸。動(dòng)態(tài)纜依次采用30、35和40cm的浮筒外徑，其他布局參數(shù)保持不變，NSCSU的計(jì)算結(jié)果如圖10、11所示。

計(jì)算結(jié)果表明，位形對(duì)浮筒外徑變化敏感，若外徑增大，浮筒段單位長(zhǎng)度浮力增大，使得位形較陡，反之亦然。動(dòng)態(tài)纜浮筒段及其以下長(zhǎng)度范圍內(nèi)的有效張力同樣對(duì)浮筒外徑變化敏感，動(dòng)態(tài)纜底端和浮筒段末尾處的張力隨外徑的增大而增大。

圖10 浮筒外徑對(duì)動(dòng)態(tài)纜位形的影響

圖11 浮筒外徑對(duì)動(dòng)態(tài)纜有效張力的影響

4 結(jié)語(yǔ)

基于MATLAB開(kāi)發(fā)海洋動(dòng)態(tài)纜截面設(shè)計(jì)和靜態(tài)分析數(shù)值模擬軟件NSCSU 1.0，該軟件分為參數(shù)輸入模塊、分析設(shè)計(jì)模塊、結(jié)果輸出模塊，各模塊通過(guò)全局變量傳遞數(shù)據(jù)，封裝為一個(gè)可執(zhí)行程序。軟件通過(guò)截面的單元設(shè)計(jì)和布局設(shè)計(jì)分析剛度、質(zhì)量，進(jìn)而應(yīng)用細(xì)長(zhǎng)柔性桿理論計(jì)算重力、浮力、海流荷載作用下動(dòng)態(tài)纜的靜態(tài)平衡位形和力學(xué)響應(yīng)，可應(yīng)用于兩種線型，使用性較強(qiáng)。以某220 m長(zhǎng)的動(dòng)態(tài)纜為例進(jìn)行軟件的算例分析，并將計(jì)算結(jié)果與同樣工況下商業(yè)分析軟件OrcaFlex的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，二者結(jié)果吻合良好，軟件精確度得到檢驗(yàn)，最后對(duì)波浪型動(dòng)態(tài)纜的浮筒外徑進(jìn)行敏感性分析，NSCSU在工程初步設(shè)計(jì)階段具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

[1] 肖能. 水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜截面設(shè)計(jì)與分析[D]. 大連: 大連理工大學(xué), 2011. Xiao N. Cross-Section Design and Analysis of Umbilical Cable in Subsea Production System[D]. Dalian: Dalian University of Technology, 2011.

[2] Orcina. Orca Flex Manual[EB/OL].[2012-10-10],[2014-12-20].http://www.orcina.com/Soft ware products/Orca Flex/Documentation/Help/.

[3] M C S Kenny. Flexcom Technical Manual[EB/OL].[2014-10-15],[2014-12-05].http://www.mcskenny.com/soft ware-solutions/flexcom/flexcom-documentation.html.

[4] 宋磊建, 付世曉, 陳希恰, 等. 深海臍帶纜總體響應(yīng)特性比較研究[J]. 振動(dòng)與沖擊, 2014, 33(1): 119-124. Song L, Fu S, Chen X, et al. Comparative study on deepwater umbilical overall response characteristics[J]. Journal of Vibration and Shock, 2014, 33(1): 119-124.

[5] 馮現(xiàn)洪, 魏行超, 王文亮. 深水懸鏈線式臍帶纜總體動(dòng)力響應(yīng)特性研究[J]. 海洋工程, 2014, 32(3): 22-27. Feng X, Wei X, Wang W. Integral structure performance analysis of the catenary deepwater umbilical[J]. The Ocean Engineering, 2014, 32(3): 22-27.

[6] Garrett D L. Dynamic analysis of slender rods[J]. Journal of Energy Resources Technology, 1982, 104(4): 302-306.

[7] 陳海飛. 深水柔性立管非線性靜動(dòng)力分析[D]. 青島: 中國(guó)海洋大學(xué), 2011. Chen H. Nonlinear Static and Dynamic Analyses of Deepwater Flexible Risers[D]. QingDao: Ocean University of China, 2011.

[8] Knapp RH. Derivation of a new stiffness matrix for helically armored cables considering tension and torsion[J]. International Journal for Numerical Methods in Engineering, 1979, 14: 515-529.

[9] Costello G A, Philips J W. Effective Modulus of twisted wire Cable[J]. Journal of the Engineering Mechanics Division, 1976, 102: 171-181.

[10] 羅華飛. MATLAB GUI設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)手冊(cè)[M]. 北京: 北京航空航天大學(xué)出版社, 2011. Luo H. Design Learning Guide of MATLAB GUI[M]. Beijing: BeiHang University Press, 2011.

[11] 李洪春, 郭海燕, 李效民. 基于MATLAB的海洋立管渦激振動(dòng)數(shù)值模擬系研究[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2010, 40(Sup): 207-212. Li H, Guo H, Li X. Research on numerical simulation system of vortex-induced vibration of marine riser based on MATLAB[J]. Periodical of Ocean University of China, 2010, 40(Sup): 207-212.

責(zé)任編輯 陳呈超

Research on Numeric Simulation of Umbilical on Cross-Section and Static Analysis

LIN Chao1, GUO Hai-Yan1, NIU Jian-Jie1, ZHANG Tao2

(1.College of Engineering, Ocean University of China, Qingdao 266100, China; 2.Qingdao Hanhe Cable Co LTD, Qingdao 266100, China)

With the development of South China Sea deep water oil and gas exploitation, umbilical cable, one of the important link system of offshore oil and gas exploitation, increases rapidly in demand, which can integrate kinds of functions in the service of subsea production system, as well as having good compliance to environmental load. It is very difficult that the calculation of mechanical properties of umbilical since its complex spiral structure. Due to the lack of professional analysis software for marine umbilical cable currently, Numeric Simulation Software of Umbilical on Cross-Section and Static Analysis (NSCSU 1. 0) based on MATLAB is developed, also, the effectivity of the software are demonstrated by contracts with OrcaFlex. Considering large deformation, slender rods model, which can solve the issue of geometrical nonlinearity, is used to simulate the static equilibrium configuration and the whole mechanical response of umbilical; Knapp tension-torsion theory and Costello bending theory are adopted to calculate the stiffness of umbilical cable. The software is able to perform the sensitivity analysis of key layout parameters of umbilical cable, and the precision of which can meet the requirements of the engineering application. The interface of the software is concise and easy to operate, which can be employed in the preliminary design phase, and can provide some references to related analysis software.

slender rods theory; GUI; wave configuration; effective tension; equilibrium configuration

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51279187)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)項(xiàng)目(201262005)；山東省科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2015ZDZX04003)資助 Supported by National Science Foundation of China(51279187)；Fundamental Research Funds for the Central University(201262005); Science and Technology Majorproject of Shandong (2015ZDZX04003)

2015-01-20；

2016-03-21

林 超(1991-)，男，碩士生。

?? 通訊作者：E-mail：hyguo@ouc.edu.cn

P756.1;U674.18

A

1672-5174(2016)12-111-06

10.16441/j.cnki.hdxb.20150054

林超， 郭海燕， 牛建杰， 等. 海洋動(dòng)態(tài)纜截面設(shè)計(jì)和靜態(tài)分析數(shù)值模擬研究[J]. 中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版), 2016, 46(12): 111-116.

LIN Chao, GUO Hai-Yan, NIU Jian-Jie, et al. Research on numeric simulation of umbilical on cross-section and static analysis[J]. Periodical of Ocean University of China, 2016, 46(12): 111-116.