Введение к работе
Актуальность
Работа посвящена теоретическим и экспериментальным вопросам и методам проектирования оптических кабелей (ОК), предназначенных для эксплуатации при многофакторных воздействиях, таких, как растягивающая нагрузка, гидростатическое давление, крутящий момент, в том числе в условиях повышенных и пониженных температур, воздействие влажной среды - воды и водяного пара.
Оценка стойкости к указанным воздействиям необходима для всех оптических кабелей. В то же время современный мировой уровень таких расчетов нельзя считать удовлетворительным, особенно в сравнении с традиционными «продвинутыми» областями кабельной техники, такими, как физика и химия диэлектриков, теория направляющих систем и т.д.
Отсутствие научных основ проектирования не является непреодолимым препятствием для создания конструкций, удовлетворяющих заданным техническим требованиям, что во многом достигается использованием «эмпирических» методов проектирования. Но это, с одной стороны, приводит к удорожанию и удлинению процесса проектирования, с другой - не позволяет проектировать оптимальные с точки зрения механики и стойкости к воздействию воды конструкции, т.е. такие, которые обладают оптимальным соотношением «качество-цена».
Оптимизация конструкций, предназначенных для эксплуатации при многофакторных воздействиях, является безусловным требованием современного периода развития кабельной техники. Для этого необходимы точные методы расчета и соответствующие инженерные методики.
Одним из принципов конструирования ОК является расположение оптических волокон (ОВ) в некоторых полостях в конструкции кабеля с определенным относительным запасом длины волокна. При этом продольная деформация полости при действии на ОК комплекса внешних нагрузок должна быть меньше чем величина этого запаса, в результате чего ОВ в полости распрямляется, не испытывая при этом растягивающей нагрузки.
С другой стороны, запас ОВ в кабеле должен быть ограничен также и сверху некоторой величиной, соответствующей минимальному критическому радиусу кривизны ОВ. При этом необходимо учитывать, что некоторые внешние факторы, такие, как внешнее давление и охлаждение, приводят к уменьшению размеров полости, где расположено ОВ, и соответственно к уменьшению радиуса его кривизны.
Таким образом, задача расчета оптических кабелей на воздействие внешних механических нагрузок сводится к расчету деформаций и перемещений в конструкции. При этом разработчиков не интересует их влияние на оптические характеристики собственно ОВ, т.к. цель конструирования состоит в том, чтобы при действии на кабель комплекса
внешних нагрузок полностью исключить их воздействие на ОВ (для ОВ недопустима деформация даже в 0,1 %, в то время как продольная деформация кабеля может составлять несколько процентов).
Проблеме механического расчета кабелей и, особенно, канатов посвящено большое количество работ. В 50-е годы эта проблема нашла свое отражение в необходимости создания специального научного направления -«строительной механики стальных канатов», которая к концу 60-х годов представляла собой достаточно полную и детально проработанную теорию, которая обеспечивала удовлетворительное соответствие большому количеству накопленных экспериментальных данных и применялась также для расчета электрических кабелей. Особенно большое значение в развитии механики стальных канатов имели труды Г. Н. Савина, М. Ф. Глушко и других ученых преимущественно украинской и российской научных школ, а также семинары-симпозиумы, проводимые совместной базовой научно-исследовательской лабораторией Одесского политехнического института и Одесского канатного завода.
В 70-80е годы с возникновением и развитием оптических кабелей их разработчики столкнулись с необходимостью решения новых задач механики. Жесткие ограничения по деформации оптических волокон требовали точного расчета продольной деформации, радиальных перемещений, а также других компонентов напряженно-деформированного состояния (НДС) в кабеле.
Если механика стальных канатов была ориентирована и использовалась преимущественно для расчета напряжений (прочности) в канатах и кабелях, то при расчете оптических кабелей на первое место вышла необходимость определения деформаций и перемещений элементов конструкций (жесткости). Оказалось, что формулы существующей теории (стальных канатов) для этого непригодны. Экспериментальные данные определения продольной деформации кабеля отличались от расчетных иногда в 3-=-4 раза.
Основная причина этого заключалась в неучете в должной мере радиальных перемещений в конструкции при определении продольной деформации кабеля. Для стальных канатов и некоторых типов электрических кабелей этим можно было пренебречь, т.к. вследствие малости радиальных перемещений (большой радиальной жесткости) расчет продольной деформации канатов давал приемлемое соответствие данным экспериментов. Кроме того, задача расчета перемещений в канатах и электрических кабелях не была столь актуальной, чтобы инициировать соответствующие исследования.
Оптические кабели, в конструкции которых широко применяются полимерные конструктивные элементы, в том числе для формирования полостей, в которых располагаются оптические волокна, обладают существенно меньшей радиальной жесткостью, чем стальные канаты, вследствие чего радиальные перемещения иногда играют решающую роль в продольном деформировании кабеля.
Таким образом, с появлением оптических кабелей и, особенно, со значительным увеличением требований к ним в настоящее время (как по конструкции, так и по условиям эксплуатации) возникла объективная необходимость в создании новой, более общей теории и соответствующих инженерных приложений для расчета на наиболее представительные внешние механические воздействия - растягивающее усилие, крутящий момент, гидростатическое давление, - определяющие в большинстве случаев конструкцию кабелей. Как частный случай эта теория должна соответствовать многочисленным экспериментальных данным, полученным при исследовании стальных канатов.
Не менее актуальна для ОК и задача обеспечения их стойкости при воздействии влажной среды, в том числе при действии воды при значительном гидростатическом давлении, причем здесь существенны как вопросы радиальной диффузии воды, так и вопросы продольной герметизации.
Известно, что вода отрицательно влияет на свойства ОВ. Под действием воды, особенно, при наличии механических напряжений, оптическое волокно вследствие роста трещин разрушается. Этим вопросам посвящено большое количество работ, которые проводились и проводятся в настоящее время. В результате этих исследований, проводимых в течение более чем 20 лет, установлено, что с увеличением концентрации влаги на поверхности ОВ возрастает скорость его деструкции.
Поэтому необходимы способы оценки концентрации влаги на поверхности ОВ в составе конструкции ОК и способы ее снижения.
Вопросы водопроницаемости, водостойкости и диффузии достаточно подробно изучены применительно к материалам, используемым в частности, в кабельной технике. Конструктивные аспекты диффузии, т.е. вопросы диффузии воды в многослойных цилиндрических конструкциях в литературе практически не рассматривались. Нам не известны аналитические решения задачи о нестационарной диффузии (или аналогичной задачи теплопроводности) в многослойном цилиндре или анализ такой конструкции численными методами.
Подобные задачи решаются численно, например, методами конечных элементов, конечных разностей, элементарных балансов и пр. Не останавливаясь здесь на известных ограничениях и достоинствах численных методов решения физических задач, отметим лишь, что преимущества аналитических методов состоят не только в возможности получения результатов для конкретных значений параметров данного расчета, но и в широкой возможности анализа результатов, решении обратных задач, в получении как инженерных рекомендаций, так и прогноза качественно новых явлений.
Таким образом, возникла необходимость в аналитическом решении нестационарной задачи диффузии в многослойной конструкции ОК, которое позволило бы для любого элемента конструкции определить концентрацию и количество поглощенной влаги (последнее имеет значение для некоторых
специфических требований, например, для обеспечения плавучести специальных ОК), а также время достижения водой поверхности ОВ, динамику роста концентрации влаги на этой поверхности и разработать способы ее снижения.
В результате решения этой задачи разработчики оптических кабелей получают инструмент анализа процесса диффузии в многослойной среде и метод расчета параметров конструкций, обеспечивающий на стадии проектирования их заданную водостойкость и возможность оптимизации конструкций.
Актуальным остается также анализ необходимости и целесообразности продольной герметизации оптических кабелей и разработка методики расчета продольной герметичности ОК при использовании водопоглощающих (порошкообразных) материалов, которые при соприкосновении с водой интенсивно ее поглощают и увеличиваются в объеме.
Цель и задачи работы
Целью настоящей работы является разработка научной основы для проектирования конструкций оптических кабелей, предназначенных для эксплуатации при многофакторных воздействиях - механических нагрузках и действии воды (водяного пара).
Для реализации этой цели необходимо решить следующие задачи.
Разработка теоретических основ и математической модели для расчета оптических кабелей произвольной конструкции на воздействие растягивающего усилия, внешнего гидростатического давления и крутящего момента. Разработка соответствующей инженерной методики.
Разработка метода, математической модели и инженерной методики расчета распределения концентрации и количества поглощенной влаги при ее нестационарной диффузии в оптическом кабеле произвольной конструкции.
Проведение экспериментальных исследований и анализ механических и диффузионных свойств конструктивных элементов кабелей, разработка соответствующих методик и экспериментальных средств.
Анализ необходимости и способов продольной герметизации ОК, разработка методики оценки продольной герметичности кабелей при использовании гидрофильных материалов.
Разработка методик оценки эффективности конструкций оптических кабелей с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок и воды (паров воды).
Научная новизна
Разработаны теоретические основы и методика определения компонентов НДС в кабеле произвольной конструкции при действии растягивающего усилия (с учетом массы кабеля), переменного по длине гидростатического давления и крутящего момента. Методика учитывает радиальную сжимаемость кабеля без
ограничений относительно конструкции и свойств сердечника, эффект увеличения радиальной жесткости конструкции за счет взаимодействия спиральных элементов (СЭ) в слое, анизотропию и разномодульность используемых полимерных материалов.
Введены понятия, характеризующие особенности ОК с точки зрения внешних воздействующих механических факторов, получены и проанализированы расчетные формулы для угловой спиральной жесткости группы одинаковых спиральных элементов, характеризующей его угол поворота при действии растягивающей нагрузки, и коэффициента уравновешенности конструкции при кручении. Показано, что при использовании трансверсально-изотропных элементов можно добиться условия «некручения» при растяжении конструкции с одним слоем СЭ.
Введены и проанализированы понятия, характеризующие особенности
ОК с точки зрения стойкости к воде: «полного насыщения» и
«непроницаемости» цилиндра для воды; «обобщенного критерия Фурье для
* диффузии» - критерия Fn, служащего инструментом анализа процесса
диффузии в многослойной среде, разработана методика его расчета для многослойной цилиндрической конструкции.
Получено аналитическое решение задачи нестационарной диффузии в многослойной цилиндрической конструкции, сплошной и с полостью. Построены и проанализированы зависимости концентрации и количества влаги, поглощенной каждым элементом конструкции ОК, в функции времени. Решение для каждого слоя описывается одним и тем же семейством кривых, построенных в соответствующих координатах, и получено в форме решения для однородного цилиндра. Полученные результаты могут быть использованы для аналогичной задачи теплопроводности.
Для многослойных конструкций с полостью определены условия возникновения стационарных и нестационарных режимов водопоглощения. Обнаружен «эффект двухслойной трубки» с определенным сочетанием свойств слоев, заключающийся в скачке концентрации молекул воды при переходе от внешней среды (влажный воздух) к полости трубки.
Обнаружен и исследован эффект «собственной» продольной герметичности трубок, обусловленный наличием устойчивой границы {воздух-жидкость} в полой трубке, погруженной в воду.
Достоверность полученных результатов подтверждается: - использованием классических методов и теорий, достаточно полно отражающих исследуемые явления - методов математического анализа, уравнений теории теплопроводности, механики гибких стержней и нитей, механики композиционных материалов;
соответствием результатов расчета экспериментальным данным, полученным как в процессе данной работы, так и ранее другими исследователями;
соответствием общих решений, полученных в работе, решениям для частных случаев, полученных ранее другими исследователями.
Практическая ценность
Для определения компонентов НДС, а также концентрации и количества поглощенной влаги в элементах многослойных цилиндрических конструкций разработан «метод эквивалентных цилиндров», основанный на замене многослойных структур эквивалентными однородными элементами с эффективными параметрами. Разработаны методики расчета критериев эквивалентности и эффективных параметров эквивалентных элементов.
Разработаны оригинальная методика и специальная оснастка для определения механических характеристик и испытаний трансверсально-изотропных элементов и образцов кабельных конструкций. Методика позволяет определить модули упругости при сжатии и при изгибе в плоскости изотропии, модуль сдвига материала, а также проводить испытания элементов и образцов оптических кабелей на одновременное воздействие растягивающего усилия, гидростатического давления и крутящего момента.
Разработана методика анализа диффузионных характеристик полимерных материалов по кривым поглощения. Методика позволяет определить с необходимой точностью коэффициент диффузии любых (в том числе многокомпонентных) материалов по кривым поглощения во всем диапазоне времени испытаний для образцов плоской и цилиндрической формы, а также проводить диагностику полимерных материалов - по характеру кривых поглощения судить о степени однородности материала с точки зрения его водопоглощения. Получены соотношения и построены номограммы для оценки времени насыщения образца влагой (времени, необходимого для проведения испытаний).
Определены механические и диффузионные характеристики некоторых конструктивных элементов из характерных материалов оптических кабелей.
Получены соотношения для оценки изменения плавучести кабельных конструкций при действии гидростатического давления и для оценки герметизирующих в продольном направлении свойств конструкций, содержащих водопоглощающий порошкообразный материал.
Разработана методика оптимизации и оценки эффективности конструкций оптических кабелей с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок и воды. Методика состоит из частных методик, посвященных расчету критериев эффективности конструкций - общих, характерных для всех ОК, и частных, характеризующих требования к конструкции при специфических воздействиях.
Реализация и внедрение результатов исследований
Разработаны при участии автора и внедрены в ОАО «ВНИИКП» следующие межведомственные методики, отражающие результаты основных разделов диссертационной работы: «Методика оценки эффективности конструкций оптических кабелей по стойкости к воздействию механических нагрузок» (МИ 16.К00-161-2006), «Методика определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов кабельных конструкций» (МИ 16.К00-164-2006), «Методика расчета водопоглощения кабельных конструкций» (МИ 16.К00-162-2006), «Методика определения диффузионных характеристик полимерных материалов по кривым поглощения» (МИ 16.К00-163-2006).
Конкретные технические решения в виде кабельных конструкций введены в Технические условия на различные типы оптических кабелей для Министерства обороны РФ - полевые (ТУ 6665-001-075284-93, ТУ 16.К71-380-2007), судовые герметизированные для работы при давлении воды до 10 МПа (ТУ 16.К71-289-01, ТУ 16.К71-308-2002), для дистанционного управления движущимся объектом (ТУ 16.К71.345-2005, ТУ 16.К71.346-2005), специального назначения (ТУ 16.К71.347-2005, ТУ 16.К71-383-2007).
Разработанные методы проектирования и инженерные методики использованы также при изготовлении опытных партий ряда комбинированных грузонесущих кабелей, сматываемых волоконно-оптических линий передачи информации и проведении соответствующих исследований в ОАО «ВНИИ КП» (по темам «Уж-КТ», «Таль-Л», «Штурвал-2», «Штурвал-2-ОКО», «Перезалог»).
«Методика определения механических характеристик трансверсально-изотропных элементов кабельных конструкций» и «Методика расчета водопоглощения кабельных конструкций» кроме своего основного предназначения - для эффективного конструирования оптических кабелей, -имеют также самостоятельное значение и используются для исследований в области механики композиционных материалов и полимеров и диффузии в многослойных конструкциях на предприятиях ООО «ВНИИКП-ОПТИК» и ЗАО «Московское техническое бюро».
На защиту выносятся следующие основные положения
-
Математическая модель для определения линейных и угловых компонентов НДС в кабеле произвольной конструкции при действии растягивающего усилия, переменного по длине гидростатического давления и крутящего момента.
-
Метод определения механических характеристик и испытаний трансверсально-изотропных элементов и образцов кабельных конструкций.
-
Методика анализа диффузионных характеристик полимерных материалов по кривым поглощения.
-
Метод и инженерная методика расчета распределения концентрации и количества поглощенной влаги при ее нестационарной диффузии в
многослойной конструкции оптического кабеля. Методика решения обратных задач диффузии. Условия возникновения стационарных и нестационарных режимов водопоглощения в конструкциях с полостью.
-
Метод «эквивалентных цилиндров» для решения задач механики и нестационарной диффузии в многослойных цилиндрических конструкциях.
-
Методика оценки герметизирующих в продольном направлении свойств конструкций, содержащих водопоглощающий порошкообразный материал.
-
Методика оптимизации и оценки эффективности конструкций оптических кабелей с точки зрения стойкости к воздействию механических нагрузок (с учетом нагревания-охлаждения) и воды. Способы защиты кабельных конструкций с полимерными оболочками от радиального воздействия воды.
Апробация работы
Основные положения и результаты работы докладывались на 9
всесоюзных, всероссийских, республиканских, отраслевых и
межведомственных конференциях, семинарах и совещаниях, проходивших в СССР и Российской Федерации в период с 1982 по 2004 годы.
Публикации
Основные положения диссертации отражены в 35 печатных работах, которые включают 1 монографию, 22 статьи в научно-технических журналах (из которых 11 - по перечню ВАК), 8 работ, опубликованных в трудах всесоюзных, всероссийских и республиканских конференций, 4 авторских свидетельств. Некоторые результаты работ отражены также в 14 отчетах по НИР и ОКР, в которых автор принимал участие в качестве руководителя или ответственного исполнителя.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, 5 глав, списка литературы и приложения. Основной материал изложен на 320 страницах текста и содержит 83 рисунка, 12 таблиц. Список использованной литературы включает в себя 216 наименований.
