本文是一篇工程论文，本文从材料选型、结构设计、工艺影响三个方面对如何提高拖曳缆接头的连接性能进行了研究，对接头的连接设计进行了完善，并将完善前后的设计方法采取试验验证。
1 绪论
1.1 研究背景
石油、天然气及矿产资源是不可再生的资源，近年来，随着世界人口不断增加，陆上油气及矿产资源的大量消耗，海洋能源开采逐渐向深水化发展。大洋底部储存着丰富的海洋石油、天然气等，开发前景一片良好，是全球海洋资源开发的重要战略区域。我国领土辽阔，拥有丰富的海洋资源，是海洋能源储量大国，也是能源消耗大国[1-5]，一旦水深超过500 m，开采难度增大。为保障我国的能源安全，大型的深水和超深水海洋资源开发系统日益受到重视。我国海洋资源开发体系尚不成熟，深海资源开发是目前主要的战略目标，从“十一五”开始，我国连续开展了三个“五年计划”，依托“海洋油气资源勘探开发技术”和“深海关键技术和装备”等科技专项对海洋能源开发装备和技术进行了长期研发，紧追各发达国家的步伐，使得我国已经基本具备了海洋能源开发装备设计、生产、测试和应用的关键技术[6-10]。
随着油田开采深度的增加，用于海洋资源勘探的拖曳缆长度增加，作业环境愈发恶劣，由于海上波浪流等导致的交变荷载的影响，拖曳缆接头承受更高的拉伸负荷，因而易受损或发生断裂失效，导致拖曳缆破坏进而丢失所携带的重要设备，拖曳缆接头的服役状态如图1.1所示。接头的主要功能是：实现缆体与船体设备之间的连接及缆体与携带设备的连接；传递施加在缆体上的轴向载荷和弯矩而不损伤海缆内层。接头主要承担轴向载荷，由于在拖曳缆的结构层中，抗拉铠装钢丝承担95%以上的拉力[11-15]，因此用胶粘剂与抗拉铠装钢丝粘接的方式来达到连接的目的[16-20]。我国的拖曳接头制造技术相较于其他发达国家起步晚，国内的设计不成熟，缺乏理论指导及标准化工艺流程，严重制约了产业化的发展，因此接头产品的自主研发是非常有必要的。
1.2 海洋拖曳缆及接头概念选型介绍
海洋电缆自19世纪中叶就开始成功应用到浅海甚至超深海，全球有能力进行深海勘探资质的有50多个，国际领先的海缆供应商主要集中欧洲、北美、巴西，拥有成熟的设计及制造技术[21]。海洋电缆根据海洋能源开发的不同需求可以分为几种类型：海底电缆、脐带缆、动态海缆、重装拖曳缆等。海底电缆、脐带缆和动态缆主要用于海洋油气资源的开采。拖曳缆主要用于海洋油气资源的勘探，拖曳水下机器人和检测设备的同时，进行电力供给、设备运转的监测[10]，接头作为连接设备的关键一环，其连接性能起到至关重要的作用。
1.2.1 海洋拖曳缆结构
拖曳缆接头的概念形式需根据其结构特点进行选择。海洋拖曳缆需要满足在位工况下安全服役的需求，主要受到波浪流导致的动态载荷，拖曳重物导致的拉伸载荷，自重载荷及内部光电元件传输信号导致的热载荷。拖曳缆的典型结构由内而外如图1.2所示，主要分为三个部件：（1）光电单元：主要由光纤、电缆、双绞线和铜塑线组成。主要功能是用来传输光电信号。（2）内护套层：由高分子材料挤塑组成，具有抗高温、兼容性优良的特点。主要功能是保护内部功能单元。（3）抗拉铠装层：是由多根紧密排列的多层铠装钢丝反方向螺旋缠绕而成，该结构特征可满足拉扭平衡的设计需求。主要功能是抵抗轴向荷载。
其中，抗拉铠装层承担了缆体95%以上的轴向拉力，因此在进行接头的连接设计时，主要关注与抗拉铠装层的连接方式。
2 基于TOPSIS分析方法的接头选材研究
2.1 接头环氧树脂胶粘剂材料介绍
环氧树脂是一种热固性高分子材料，每个分子至少包含两个末端基团，由于其性能的灵活性，在许多领域有广泛的应用。环氧树脂材料的特点包括其高机械强度、质量轻、热稳定性、耐腐蚀性、化学稳定性以及能满足各种装备的应用和工艺性能的要求。环氧树脂是各种工业部门的原材料，如电子、包装、民用建筑和运输工业。最重要的应用包括保护涂层、粘合剂、化学工业设备、结构复合材料、电气层压板和电子封装。环氧胶黏剂的常用领域具体如下：
1）在航空航天工业中，主要由于其质量比其他的连接工艺轻，可以应用于生产高性能全胶接钣金结构。
2）在水利工程中，主要由于其粘接性能好，可以应用于加强混凝土的稳固性。
3）在汽车机械工业中，主要由于其油面胶接性能高，保存时间长，固化前能经受磷化处理、不渗流等特性，可以应用于车身的维修和安装。
4）在建筑工程中，主要由于其能在常温下固化、力学性能好、阻燃性好，可以应用于房梁结构，电气系统，墙面修补等。
环氧树脂在海洋工程领域的应用较少，主要是由于环氧树脂集体脆性大导致了耐冲击性、耐振动疲劳差。
2.2 三种材料性能测试评估及TOPSIS分析方法介绍
为了表征环氧树脂胶粘剂的力学性能，根据规范ISO 14628-2[50]，对接头中使用的环氧树脂类型材料进行了拉伸和剪切测试。而接头作为一种大型锚固系统，决定其连接性能的关键因素是环氧树脂在接头中与铠装钢丝之间的粘附力，粘附力主要受到组成粘接结构材料的物理化学特性的影响，包括环氧树脂胶粘剂和被粘物的表面张力、极性、粗糙度和粘接界面面积。因此根据粘接式接头结构特点设计锚固测试作为评估锚固系统连接性能的一种简化方法，测试主要是将一根直钢丝固定在环氧树脂胶粘剂中，胶粘剂固化后，通过施加拉力将钢丝从胶粘剂中拉拔出，测定环氧树脂胶粘剂的粘附性能。
为了评估和比较每种环氧树脂在接头锚固系统中的应用性能，使用了TOPSIS分析技术（Technique for Order of Preference by Similarity to Ideal Solution），这种分析方法是基于将原始数据归一化后的矩阵，可以同时评估多个因素，将最佳方案与最差方案进行比较，衡量之间的距离，之后比较不同评价对象与最佳方案的距离，得出排序[51]。本研究中考虑的最佳方案是测得的最大结果。TOPSIS技术需要根据所有测试参数在分析中的相关性进行加权，因此根据大量学者的研究[52-55]将测试量对接头锚固系统的重要性进行评估。
3 基于内聚力模型的接头结构设计研究 ............................. 22
3.1 接头粘接解析模型 ................................ 23
3.1.1 剪滞模型 ......................................... 23
3.1.2 二维粘接模型 ............................ 23
4 考虑工艺缺陷对接头连接性能的影响研究 ................................. 35
4.1 含三种缺陷粘接数值模型的建立 ........................... 36
4.2 不同类型缺陷对单根钢丝粘接结构的影响分析 .................. 36
5 拖曳缆接头设计实例及实验验证 .......................... 52
5.1 拖曳缆极限拉断力理论预测 ................................ 52
5.2 拖曳缆接头的设计及加工流程 ........................ 54
5 拖曳缆接头设计实例及实验验证
5.1 拖曳缆极限拉断力理论预测
拖曳缆在位运行或者安装过程中会受到由自重和拖曳重物等因素引起的拉伸荷载，过大的拉伸荷载会使缆体发生拉断失效或者接头处发生连接失效。极限拉断力作为拖曳缆抗拉层结构设计的重要性能指标，可以用来评估拖曳缆抵抗拉伸荷载的能力的同时，也可以将接头的轴向承载能力与缆体极限拉断力作比较，来评价接头的连接性能。当接头的轴向承载能力等于缆体极限拉断力时，则认为接头的连接性能最好；当接头的轴向承载能力小于缆体极限拉断力时，可通过接头的轴向承载能力占缆体极限拉断力的百分比来评价接头的连接性能。
拖曳缆承担拉伸荷载的结构均为小角度螺旋缠绕的铠装钢丝，这种结构可以在确保柔顺性的同时为缆体提供了轴向的刚度及强度。拖曳缆的抗拉层承担了95%以上的轴向拉伸荷载，对抗拉铠装层进行的应力分析。拖曳缆受拉时，钢丝上的应力主要是由于拉伸荷载导致的正应力。采用截面法将拖曳缆截断，选取一半缆体为研究对象，受力如图5.1所示，拖曳缆的所能承受的拉力主要与铠装钢丝的数量、截面积、缠绕角度和截面应力相关。
结论
本文从材料选型、结构设计、工艺影响三个方面对如何提高拖曳缆接头的连接性能进行了研究，对接头的连接设计进行了完善，并将完善前后的设计方法采取试验验证，得到以下结论：
1、通过TOPSIS分析技术对四种常用的环氧树脂胶粘剂材料进行选取，材料A相比于其他三种材料更适用于拖曳缆接头的锚固系统。这种方法可为粘接式接头的选材提供参考。
2、接头的失效分为两个阶段。第一阶段表现为承受轴向载荷时，粘接层损伤，界面发生脱粘现象；第二阶段表现为脱粘以后钢丝与胶体之间产生摩擦力，并挤压变形直至完全拉脱。因此在计算接头的轴向承载力时主要考虑钢丝与环氧树脂胶粘剂之间的粘接力和钢丝拉脱失效的变形力。
3、对接头结构参数的最优取值进行了讨论，缠绕段的长度(L1)、后锥段的长度(L3)为100 mm时，轴向承载力达到最大值。前锥段的长度(L2)越大，轴向承载力越大，但是变化范围较小，考虑轻量化的因素，前锥段的长度控制在100 mm以内。两段弯折角度为40°时，轴向承载力最大。
4、研究了粘接层内的不同类型缺陷（尺寸、位置及数量）对粘接式
