[01572861]多参数、大变形涡激振动作用下的深水复合材料海洋立管动力特征研究

一、课题来源 本课题来源为：山东省自然科学基金。 二、研究目的与意义 我国海洋事业的大力发展,为在海洋相关领域进行前沿性和原创性的研究提供了广阔平台,也提出了更高要求。山东省正在实施的“半岛蓝色经济区”战略及“十三五”规划提出的建设海洋强省的战略任务,要求我们增强经略海洋意识,推动科学、立体开发海洋,在海洋事业相关领域做出更多的创新性研究。海洋油气开发是海洋经济的重要组成部分,而海洋立管则是海洋油气开发中不可或缺的结构物。目前,海洋立管多采用高等级钢材制成,而立管重量成为限制深海资源开发的一个重要因素。如果能够有效地降低立管重量,将大大提高海洋平台的效率并促进更深海域资源的开发。纤维复合材料具有低密度、高强度、高弹性模量以及更好的保温隔热性、耐腐蚀性和抗疲劳性,复合材料海洋立管的重量将显著降低,同时维护和使用费用也将明显减少。 涡激振动是深水立管工程中的关键问题,是引发立管失效和疲劳破坏的主要因素。由于复合材料海洋立管是深水油气开发中出现的新型结构,很多技术问题尚未完全解决,特别是其动力特性有待探索。 鉴于此,本项目拟研究多参数、大变形、流固耦合作用下复合材料海洋立管独特的涡激振动特征并探索复合材料海洋立管的动力特征与复合材料结构设计之间的相关规律。相对于传统金属海洋立管,复合材料海洋立管多样的设计参数将直接导致其顶张力、自振频率、阻尼、长细比的变化,进而影响其动力特征。由于复合材料海洋立管独特的分层式结构形式与材料各向异性,其涡激振动研究可为探索复合材料立管的动力特征提供新视角,并为复合材料海洋立管在今后实际工程中的应用和进一步研究奠定理论和技术基础。 三、主要代表性工作 以本项目为基础,正式发表论文19篇,其中SCI、EI检索11篇,培养研究生3名。 代表性工作一：多参数、非线性大位移流固耦合作用下的复合材料立管涡激振动分析方法的构建。 代表性工作二：风浪流联合水槽模型实验。 代表性工作三：利用灰色理论,研究复合材料海洋立管的动力特征与复合材料结构设计之间规律。 四、创建与创新 （1）多参数、非线性大位移流固耦合作用下的大长细比复合材料海洋立管的涡激振动特征 纤维复合材料海洋立管的分层式结构形式和材料的各向异性使其与传统金属海洋立管存在明显的区别。这些区别将产生不同的顶张力、自振频率、阻尼比、长细比等,进而导致涡激振动特征的不同。复合材料海洋立管涡激振动特征的研究重点在于探索其分层式结构形式和材料各向异性的影响,以及多参数作用下的几何非线性作用的影响。 （2）复合材料海洋立管的动力特征与复合材料结构设计之间的规律 通过对复合材料海洋立管的动力特征与复合材料结构设计之间相关规律的研究,才能深入理解各参数对复合材料海洋立管性能的影响。。 五、经济、社会效益预期 随着水深的增加,传统金属海洋立管的自重将急速增加,也就需要更大的海洋平台或减少海洋平台所连接海洋立管的数量,因而在很大程度上限制了海洋工程向更深海域发展。由于纤维复合材料具有极佳的机械性能和较低密度,若在海洋工程中用其代替传统金属材料,将在很大程度上降低海洋立管的自重,并相应地减少对现有海洋平台的顶张力需求和运营成本,也有利于深海石油及天然气的开发和输送。此外,相对于传统钢材,纤维复合材料还具有更好的保温隔热性能,耐腐蚀性和抗疲劳性,可以减少维护方面的成本。使用纤维复合材料的另一个优点是可以根据特定的要求进行定制设计,提供合理、有效、经济的设计方案。 纤维复合材料海洋立管这一概念还处于一个实验设计和模型测试阶段。研究表明,复合材料立管生命周期内的总费用将显著较低,这是由于其重量的降低将作用于海洋结构的其他部分,如海洋平台体积减小,系泊力和顶张力降低,整体结构体系质量降低,浮力筒减少等,值得注意的是,复合材料立管对于深水海洋结构体系总费用降低的影响将更加明显。海洋平台每磅有效载荷的增加将导致5-7美元的造价提升,而当海洋平台的有效载荷处于一个较大值时,其对应的有效荷载增长时所产生的费用也将更明显。因此,复合材料海洋立管所带来的重量减轻将使原有平台可以连接更多的立管,或连接更长的立管进行更深海域资源的开采。除了较低的密度,复合材料具有更好的热绝缘性能,较大的阻尼及良好的耐腐蚀和耐疲劳性,这些优良的性质都将有效的降低海洋立管的维护成本和后期使用费用。 本项目使多参数、非线性大位移流固耦合作用下的大长细比复合材料深水海洋立管涡激振动特征得到进一步理解,有助于抑振装置的开发,并推动复合材料海洋立管在实际工程中的应用,使复合材料海洋立管代替传统金属海洋立管成为可能。而复合材料海洋立管的应用又将提高现有海洋平台生产能力及开发深度,并将降低立管的使用费用和维护费用。这些都将使深水海洋资源的开发和利用更加经济有效,创造巨大的社会经济效益。