1.本发明涉及电缆技术领域，特别涉及一种多波段动态缆系统及设计方法。
背景技术：
2.随着海洋油气资源、海上风电等海洋资源的不断开发建设和利用，海底电缆特别是光电复合海底电缆作为信息和能量的传输重要渠道，在海上平台系统中的应用越来越多。
3.其中对于浮式平台或浮式风机，需要通过动态缆进行连接，目前常见的动态缆线型多采用缓波型线型，缓波线型是指在悬链线线型基础上，安装适量分布式浮力块，浮力块提供的浮力将使动态缆局部浮起，呈现出一个单波的形状。缓波型浮起的区域使动态缆产生了长度余量，使其在随着上部浮体、波浪、洋流运动时不至于被拉断，有效改善动态缆悬挂点和触地点的受力情况，提高动态缆的疲劳寿命。
4.但传统的缓波型在水深较浅、浮体偏移量较大的情况下并不适用。因为为了满足浮体发生最大偏移时，缆不被拉断，动态缆需要拥有足够的长度余量，即足够高的浮起区域，但浮起区域过高，会发生线型浮出水面的情况，动态缆和浮力块浮出水面将加速材料的老化，并且具有安全隐患。
技术实现要素：
5.针对现有技术的不足和缺陷，提供一种多波段动态缆系统及设计方法，使动态缆在有限的水深中拥有更大的浮起段长度，满足平台的大偏移需求。
6.为实现上述目的，本发明提供以下技术方案。
7.一种多波段动态缆系统，包括浮动设置于海洋上的浮体机构、与所述浮体机构连接的海缆，所述海缆上设有至少两个浮力组件，两个浮力组件之间设有重力组件，每一浮力组件包括若干个浮力块，每一重力组件包括若干个重力块，所述浮力组件和重力组件间隔设置，所述浮力块将海缆向上拉伸，所述重力块将海缆向下拉伸，使得海缆呈波浪形设置，并且至少具有两个波形。
8.本发明的有益效果为：本发明的动态缆系统，通过在海缆上间隔设置浮力块和重力块，从而使得海缆在敷设时能够呈波浪形设置，并且具有两个波形，当浮体机构浮动设置时，海缆在有限的水深中拥有更大的浮起段长度，满足浮体机构的大偏移需求，避免了海缆被拉断，有效改善海缆缆悬挂点和触地点的受力情况，提高海缆的疲劳寿命。
9.作为本发明的一种改进，所述海缆与浮体机构连接的一端还设有防撞环，防撞环通过绑扎结构固定在海缆上。
10.作为本发明的一种改进，所述防撞环的设计过程包括：采用line in line的方法在orcaflex中进行建模，将防撞环环绕于海缆碰撞区域，输入防撞环的外径、长度、杨氏模量、间隔距离、数量，进行动态整体分析，若出现碰撞点在两块防撞环之间的情况，则需减小防撞环距离，增加防撞环数量；若出现碰撞点在防撞环上，但海缆本体仍出现应力集中，则
需增大防撞环外径，减小杨氏模量；若出现加装防撞环区域海缆变形、载荷过大的情况，则需减小防撞环外径、减小防撞环长度。
11.作为本发明的一种改进，还包括将所述海缆与浮体机构固定连接的锚固结构，所述锚固结构包括锚固底座和设置于锚固底座上的用于将海缆抱夹固定的夹持组件，所述锚固底座上设有供海缆穿过的第一穿接孔，所述夹持组件上设有供海缆穿过并与第一穿接孔连通的第二穿接孔，所述锚固底座上还设有位于第一穿接孔和第二穿接孔之间的外扩孔，所述外扩孔与所述第一穿接孔同轴设置，且所述外扩孔的直径大于第一穿接孔的直径；当海缆穿过第一穿接孔和第二穿接孔后，外扩孔与海缆之间形成有用于注入胶水的空腔。
12.作为本发明的一种改进，所述锚固底座上还设有体套设于夹持组件的外周壳体，当夹持组件将海缆的铠装钢丝进行抱夹固定时，所述壳体与海缆的铠装钢丝之间形成有用于灌入胶水的灌胶空间。
13.一种所述的多波段动态缆系统的设计方法，包括以下步骤：
14.s1.构建动态缆初始线型有限元模型，根据环境条件和动态缆的截面信息，选择浮力块和重力块的初始线型，进入步骤s2；
15.s2.进行动态缆静态整体分析，如果静态响应符合要求，则进入步骤s3，如果静态响应不符合要求，则进入步骤s1，更新浮力块和重力块的参数；
16.s3.进行动态缆动态整体分析，如果动态响应符合要求，则进入步骤s4，如果动态响应不符合要求，则进入步骤s1，更新浮力块和重力块的参数；
17.s4.进行动态缆疲劳分析，如果疲劳寿命符合要求，则进入步骤s5，如果疲劳寿命不符合要求，则进入步骤s1，更新浮力块和重力块的参数；
18.s5.确定最终设计。
19.作为本发明的一种改进，在步骤s1中，具体包括以下步骤：
20.s101.在orcaflex软件中输入动态缆所在海域的环境条件，包括水深、波高、周期、流速；输入浮体运动参数，包括基础尺寸、重心位置、锚链参数、响应幅值算子；动态缆截面参数，包括外径、重量、刚度；
21.s102.基于以上输入，选择初始的分布式浮力块、分布式重力块的相关参数，包括净浮力、净重力、大小、数量、间隔距离以及分布位置；
22.s103.构建出分布合理的初始线型，线型最高点不浮出水面，最低点不接触海床，动态缆长度应不小于悬链线线型长度 浮体最大偏移距离。
23.作为本发明的一种改进，在步骤s2中，具体包括以下步骤：
24.s201.在不加载环境载荷、不考虑浮体运动的情况下，分析动态缆在静态情况下的张力、曲率分布情况，若顶部张力过大，则减少波谷区域的配重块数量或增大波峰区域浮块的数量，若重力块或浮力块区域曲率过大，则减小单个重力块的重量或浮块的净浮力，或者增加重力块数量或浮力块数量；
25.s202.将浮体移动至近位、远位的最大偏移位置，若在远位工况下，出现线型拉直，张力过大的情况，需增加浮起区域缆长，即增大总浮力。
26.作为本发明的一种改进，在步骤s202中，增加总浮力的方式具体包括增加已有两个波形上浮块区域的浮力，同时增大波形间的间隔。
27.作为本发明的一种改进，当增加已有两个波形上浮块区域的浮力，同时增大波形
间的间隔时，出现近位工况出现线型出水或触地或者曲率过小的情况，则增加一个波形。
28.作为本发明的一种改进，在步骤s3中，具体包括以下步骤：
29.s301.根据参考规范，加载极限工况组合，判断动态缆上的张力和对应的曲率是否满足动态缆截面张力和曲率能力曲线要求；若不满足，需对浮力块、重力块参数进行调整。
30.作为本发明的一种改进，在步骤s4中，具体包括以下步骤：
31.s401.对步骤s3中确定的线型进行疲劳分析，加载所有的疲劳工况，并对所有工况下的疲劳损伤进行线性叠加，疲劳寿命需不小于设计疲劳寿命要求；若不满足，需重新对浮力块、重力块位置进行调整。
附图说明
32.图1是本发明的动态缆系统整体结构示意图。
33.图2是本发明的锚固结构整体结构示意图。
34.图3是本发明的图2的剖视结构示意图。
35.图4是本发明的锚固底座结构示意图。
36.图5是本发明的下压块结构示意图。
37.图6是本发明的锚固结构与海缆配合示意图。
38.图7是本发明的设计方法流程框图。
39.图中，1、浮体机构；2、海缆；2.1、铠装钢丝；3、防弯器；4、重力块； 5、浮力块；6、锚固结构；6.1、锚固底座；6.1.1、第一穿接孔；6.1.2、凸台； 6.1.3、外扩孔；6.2、压块；6.2.1、第二穿接孔；6.2.2、环槽；6.3、加强块； 6.3.1、第三穿接孔；6.4、壳体；6.4.1、安装腔；7、固定机构；8、防撞环。
具体实施方式
40.结合附图对本发明进一步阐释。
41.参见图1至图6所示的一种多波段动态缆系统，包括浮动设置于海洋上的浮体机构1、通过锚固结构6与所述浮体机构1连接的海缆2、以及将所述海缆 2固定于海床上的固定结构，就本实施例而言，浮体机构1为风力发电设备，所述海缆2上设有两个及以上的浮力组件和重力组件，每一浮力组件包括若干个浮力块5，每一重力组件包括若干个重力块4，两个浮力组件之间设有一个重力组件，所述浮力组件和重力组件间隔设置，所述浮力块5将海缆2向上拉伸，所述重力块4将海缆2向下拉伸，使得海缆2呈波浪形设置，并且至少具有两个波形。
42.由于随着浮体机构1的形式和应用环境的复杂化，则可能出现海缆2与浮体机构1发生碰撞的情况，在这种情况下，需在可能发生碰撞的区域安装分布式防撞环8，避免海缆2发生碰撞的部位应力集中，从而产生破损。所述海缆2 与浮体机构1连接的一端还设有防撞环8，防撞环8通过绑扎结构固定在海缆2 上。分布式防撞环8为pu材质，哈弗形式，通过绑扎结构固定在缆上，防撞环 8可有效吸收冲击能量，保护动态缆结构。
43.具体而言，所述防撞环8的设计过程包括：采用line in line的方法在 orcaflex中进行建模，将防撞环8环绕于海缆2碰撞区域，输入防撞环8的外径、长度、杨氏模量、间隔距离、数量，进行动态整体分析，若出现碰撞点在两块防撞环8之间的情况，则需减小防撞环
8距离，增加防撞环8数量；若出现碰撞点在防撞环8上，但海缆2本体仍出现应力集中，则需增大防撞环8外径，减小杨氏模量；若出现加装防撞环8区域海缆2变形、载荷过大的情况，则需减小防撞环8外径、减小防撞环8长度。
44.具体参见图2至图6所示，锚固结构6包括锚固底座6.1和设置于锚固底座6.1上的用于将海缆2抱夹固定的夹持组件。所述锚固底座6.1上设有供海缆2穿过的第一穿接孔6.1.1，第一穿接孔6.1.1的尺寸与海缆2的尺寸相适配，锚固底座6.1的上端设有凸出形成有呈中空设置的凸块，凸台6.1.2的内壁形成有外扩孔6.1.3，外扩孔6.1.3的直径大于第一穿接孔6.1.1的直径，并且外扩孔6.1.3与第一穿接孔6.1.1同轴设置。
45.所述锚固底座6.1上还固定安装有呈中空设置的壳体6.4，壳体6.4包括两个半筒状的半壳对接拼装形成，两个半壳通过螺丝固定安装于锚固底座6.1上，安装方便，两个所述半壳之间形成安装腔6.4.1，凸台6.1.2位于安装腔6.4.1 内，并且安装腔6.4.1与凸台6.1.2之间形成用于灌入胶水的容纳腔。夹持组件包括压块6.2和设置于压块6.2上的加强块6.3，加强块6.3和压块6.2通过紧固件固定安装于凸台6.1.2上，并且加强块6.3和压块6.2位于安装腔6.4.1 内，压块6.2上设有供海缆2穿过的第二穿接孔6.2.1，所述加强块6.3设有第三穿接孔6.3.1，所述第三穿接孔6.3.1与第二穿接块同轴且同径设置，所述第三穿接孔6.3.1、第二穿接孔6.2.1与外扩孔6.1.3和第一穿接孔6.1.1同轴设置，并且第三穿接孔6.3.1、第二穿接孔6.2.1、外扩孔6.1.3、第一穿接孔6.1.1 从上至下依次设置。海缆2在敷设时，依次穿过第一穿接孔6.1.1、外扩孔6.1.3、第二穿接孔6.2.1、第三穿接孔6.3.1，外扩孔6.1.3与海缆2之间形成有空腔。
46.本技术的锚固结构6，通过设置外扩孔6.1.3，海缆2在敷设时，依次穿过第一穿接孔6.1.1、外扩孔6.1.3和第二穿接孔6.2.1，通过设置直径较大的外扩孔6.1.3，海缆2的铠装钢丝2.1在压紧后，外扩孔6.1.3与海缆2之间形成有空腔，通过向外扩孔6.1.3的空腔内灌入树脂胶水，将整圈铠装钢丝2.1构建成一个整体，解决了单根铠装钢丝2.1受力不均匀，且在波浪流的动态载荷下易疲劳的问题，并且同时向容纳腔内灌入树脂胶水，进一步增强铠装钢丝2.1 的强度，保证单根铠装钢丝2.1受理均匀，避免单根铠装钢丝2.1因受力过大断裂，而且可以根据海缆2上铠装钢丝2.1的层数，选择加强块6.3，即当海缆 2的铠装钢丝2.1只有一层时，只需选择在凸台6.1.2上安装压块6.2即可，此时该层铠装钢丝2.1压紧在凸台6.1.2和压块6.2之间，当海缆2的铠装钢丝 2.1为两层时，则选择在凸台6.1.2上安装压块6.2和加强块6.3，此时，一层铠装钢丝2.1压紧在凸台6.1.2和压块6.2之间，另一层铠装钢丝2.1压紧在加强块6.3和压块6.2之间。
47.此外，所述压块6.2与所述凸台6.1.2相接触的端面形成有若干同轴设置的环槽6.2.2，当压块6.2安装于凸台6.1.2上时，压块6.2通过滑槽与凸台 6.1.2的上端面相接触，增加摩擦系数，解决了铠装钢丝2.1在动态载荷下易滑脱的问题，减少磨损，所述环槽6.2.2的截面为v形，加工方面，而且摩擦系数更高。
48.海缆2通过防弯器3与浮体进行连接，通过螺栓法兰的连接形式，固定到浮体机构1上面的接口处，使动态缆悬挂点刚性到柔性的连接处实现平滑过渡。
49.浮力块5包括用于与海缆2进行固定的夹具部、用于提供浮力的浮体部以及用于将夹具部和浮体部进行连接的连接件。
50.重力块4包括设置于海缆2两侧的两个重块以及将两个重块进行连接的紧固件，通
过两个重块将海缆2夹紧，重力块4上还设有用于防腐的牺牲阳极。
51.本发明的动态缆系统，通过在海缆2上间隔设置浮力块5和重力块4，从而使得海缆2在敷设时能够呈波浪形设置，并且具有两个波形，当浮体机构1浮动设置时，海缆2在有限的水深中拥有更大的浮起段长度，满足浮体机构1的大偏移需求，避免了海缆2被拉断，有效改善海缆2缆悬挂点和触地点的受力情况，提高海缆2的疲劳寿命。
52.参见图7所示，本发明还公开了一种所述的多波段动态缆系统的设计方法，包括以下步骤：
53.s1.构建动态缆初始线型有限元模型，根据环境条件和动态缆的截面信息，选择浮力块5和重力块4的初始线型，具体包括以下步骤：
54.s101.在orcaflex软件中输入动态缆所在海域的环境条件，包括水深、波高、周期、流速；输入浮体运动参数，包括基础尺寸、重心位置、锚链参数、响应幅值算子；动态缆截面参数，包括外径、重量、刚度；
55.s102.基于以上输入，选择初始的分布式浮力块5、分布式重力块4的相关参数，包括净浮力、净重力、大小、数量、间隔距离以及分布位置；
56.s103.构建出分布合理的初始线型，线型最高点不浮出水面，最低点不接触海床，动态缆长度应不小于悬链线线型长度 浮体最大偏移距离。进入步骤s2；
57.s2.进行动态缆静态整体分析，如果静态响应符合要求，则进入步骤s3，如果静态响应不符合要求，则进入步骤s1，更新浮力块5和重力块4的参数；具体包括以下步骤：
58.s201.在不加载环境载荷、不考虑浮体运动的情况下，分析动态缆在静态情况下的张力、曲率分布情况，若顶部张力过大，则减少波谷区域的配重块数量或增大波峰区域浮块的数量，若重力块4或浮力块5区域曲率过大，则减小单个重力块4的重量或浮块的净浮力，或者增加重力块4数量或浮力块5数量，即当重力块4或浮力块5区域曲率过大时，可以选择减小单个重力块4的重量、浮块的净浮力、增加重力块4数量、浮力块5数量中的一种方式或多种方式，如此进行调试；
59.s202.将浮体移动至近位、远位的最大偏移位置，若在远位工况下，出现线型拉直，张力过大的情况，需增加浮起区域缆长，即增大总浮力。增加总浮力的方式具体包括两种a.增加已有两个波形上浮块区域的浮力，同时增大波形间的间隔，b.增加一个波形。
60.当采用方式a增加已有两个波形上浮块区域的浮力，同时增大波形间的间隔时，出现近位工况出现线型出水或触地或者曲率过小的情况，则选择采用方式b增加一个波形。
61.s3.进行动态缆动态整体分析，如果动态响应符合要求，则进入步骤s4，如果动态响应不符合要求，则进入步骤s1，更新浮力块5和重力块4的参数；具体而言：
62.s301.根据参考规范，加载极限工况组合，例如100年一遇波浪 10年一遇洋流，10年一遇波浪 100年一遇洋流，以及浮体出现1根锚链断裂的工况。
63.判断动态缆上的张力和对应的曲率是否满足动态缆截面张力和曲率能力曲线要求；若不满足，需对浮力块5、重力块4参数进行调整。
64.s4.进行动态缆疲劳分析，如果疲劳寿命符合要求，则进入步骤s5，如果疲劳寿命不符合要求，则进入步骤s1，更新浮力块5和重力块4的参数；具体包括：
65.s401.对步骤s3中确定的线型进行疲劳分析，加载所有的疲劳工况，并对所有工况下的疲劳损伤进行线性叠加，疲劳寿命需不小于设计疲劳寿命要求；若不满足，需重新对浮
力块5、重力块4位置进行调整。
66.s5.确定最终设计。
67.以上所述仅是本发明的较佳实施方式，故凡依本发明专利申请范围所述的构造、特征及原理所做的等效变化或修饰，均包括于本发明专利申请范围内。