深海工程结构的极端环境作用与全寿命服役安全.doc

项目名称：深海工程结构的极端环境作用与全寿命服役安全首席科学家：滕斌 大连理工大学起止年限：2011.11-2016.8依托部门：教育部一、关键科学问题及研究内容我国南海处于热带与亚热带、水域广阔、海底地形复杂，受到热带季风、潮流、北向暖流、南下寒流的影响，台风浪、内波等各种自然灾害频发。而深海平台系统造价昂贵，每天油气产出效益也非常高，因此保证深海工程结构在极端海洋环境作用下不发生破坏，在整个服役期内安全运行，是海洋工程研究的基本目标和根本任务。深海工程一般采用浮式结构形式，组成部分包括上部平台、系泊缆索、采油立管（或钻井隔水套管）、输油管线等等。在不同时间和空间尺度的非线性灾害环境作用下，海洋平台系统将发生大幅度运动、大尺度变形、高模态动力响应、腐蚀衰变等现象，对海洋平台的安全威胁极大。因此，为了充分保证深海平台的安全，必须综合考虑各种因素，采用多种手段加以研究。本项目将首先以准确的现场资料为出发点，依据可靠的数值模拟方法和实验技术，对海洋平台系统开展全面的模拟分析；其次，依靠现场实时监测，将生产装置本身建设成为“现场实验室”，依据最详实的第一手数据，对模型模拟、实验技术做出验证与改进，实现理论-数值-混合实验-现场监测的数据同化；最后，在以上研究工作的基础上，构建能够满足我国南海深水油气开采的安全评定理论和设计准则。为了达到这一目的，有下述的三个关键科学问题需要解决：1、南海极端海洋环境的工程相关特征及其模拟方法；2、深海平台结构系统在复杂海洋环境联合作用下的响应及破坏机理；3、深海平台结构服役性能监测、原型验证与安全评定。表2是上述关键科学问题与深海工程中各种历时性问题的逻辑关系，从中可以看出这三个关键科学问题是相互衔接的，从认识、模拟外在环境因素开始，经过环境对工程结构的作用，到建立完善的实时监测技术和安全评定理论结束，全历时地涵盖了南海深水环境中海洋工程结构全寿命安全设计、作业保障的监测、评定的各个环节。这三个关键科学问题涵盖了深海油气开采工程中的主要研究内容，分属于五个研究方面。表2、关键科学问题及所涉及的核心研究内容需要解决的科学问题一、南海极端海洋环境的工程相关特征及其模拟方法二、深海平台结构系统在复杂海洋环境联合作用下的响应及破坏机理三、深海平台结构服役性能监测、原型验证与安全评定涉及的全寿命历时性核心研究内容深海环境因素工程相关特性的模拟深海平台结构系统的非线性水动力特性深海平台结构系统的非线性耦合响应深海平台结构系统的损伤与破坏深海平台结构系统的全寿命性能监测深海平台结构的安全评定与寿命预测拟设置的研究课题课题一：我国南海极端环境的工程相关特征及其模拟方法课题二：深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理课题五：深海平台结构全寿命性能监测、原型验证与安全评定课题三：深海平台结构的极端环境作用与非线性耦合响应课题四：深海环境长期作用下平台结构的累积损伤机理三个关键科学问题的主要研究内容如下：第一个科学问题：南海极端海洋环境的工程相关特征及其模拟方法南海复杂多变的深海环境作为深海开发工程设计、建设和运行的基础，是整个系统问题认识的开始，也是本项目研究的基础。南海纵跨热带和亚热带，其海洋环境由于水深面宽、地形错综、水文复杂、热带气旋活跃、季风盛行等因素造成南海畸形波、内波、台风等极端动力现象频繁发生，对深海开发工程构成严重威胁。在本项目中，要结合已有的海洋环境和气象等长期观测资料对南海整体环境加以深刻认识并提出有效的模拟方法，其核心是风、浪、流等环境因素及其相互关系的工程化模型，尤其重要的是各种极端环境因素；要着重分析我国南海各极端环境与海洋工程相关的特征、内部结构及其模拟方法，包括：畸形波、内波、海流、台风及台风浪的耦合；探寻它们的形成机制、演变过程、破坏作用特性和时间变化特征等物理性质，建立各自模型及其相关的耦合模型。第二个科学问题：深海平台结构系统在复杂海洋环境联合作用下的响应及破坏机理这是本项目的关键，起纽带作用，只有将与海洋工程相关的海洋环境特性准确地通过数学模拟方式作用于深海平台结构系统（包括其柔性结构部分），分析其运动响应过程及损伤与破坏的机理，才能进一步开展平台结构安全评价理论体系的研究。在此问题中，一方面，要对深海平台结构系统在南海复杂环境作用下的非线性响应做出合理、可靠的模拟与分析；探寻各要素耦合作用的非线性响应规律。具体开展深海极端环境对海洋平台作用的研究，畸形波浪对海洋工程结构的砰击作用和上浪的研究，探索平台结构系统的阻尼特性，分析不同时空尺度的风、浪、流、内波与深海平台、立管和锚缆系统的联合作用，建立全时域的耦合分析方法和实验方法，进行典型深海结构的长期环境作用和应力响应的数值计算和实验研究，建立深海平台结构结构应力长期分布的预测方法。另一方面，需要研究深海平台主体结构关键节点以及锚链节点等在海洋环境腐蚀要素与力学要素联合作用下的耦合损伤机制与失效机理。通过研究平台主体结构关键节点焊接残余应力场的演变规律、焊接结构的多轴疲劳损伤机理、应力集中部位的腐蚀机制、锚链节点接触面的磨损机制等，建立能综合考虑多因素影响作用的平台主体结构关键节点以及锚链节点等的累积损伤耦合模型。此外，对于柔性结构，还要研究锚泊系统、深海立管、海底管道等的动力响应，建立深海柔性结构水动力模型；探寻柔性系统涡激振动的发生机理和疲劳破坏准则；开展极端环境作用下海底管道悬跨的形成机理和海底管道的动力稳定研究；进行管状构件在复杂荷载作用下的破坏实验研究和破坏机理研究，揭示海底腐蚀管道的剩余强度和管道抗力的时变特性，推进高温高压海底管道整体屈曲的研究，探寻深水管道屈曲传播发生机制和天然气海底管道延性扩展断裂破坏机理。第三个科学问题：深海平台结构服役性能监测、原型验证与安全评定对深水浮式平台的研究，其根本目的是完善平台设计，保障作业安全，降低运行风险。为此，要充分利用我国南海现役平台，积极发展相关的监测技术，构建完备的监测系统，实现对南海平台的长期、有效监测。随着现场监测研究工作的不断发展和深入，不但可以对南海平台的现有结构性能进行分析，保证平台的安全工作，同时又可以对研究中形成的理论、方法和模型实验技术进行现场验证，为平台系统的安全评定和合理设计发挥重要指导作用。在此问题上，要深入分析与研究以下内容：以南海现役海洋油气工程装备为研究对象，发展我国自主的现场监测技术，建立完善、稳定的监测系统，攻克深海装备水下监测的技术难题。自主研发具有国际领先的深海特有水下传感器，包括水下锚链张力和姿态传感器、水下立管涡激振动监测传感器、水下立管张力传感器等，突破水下环境数据采集、传输、水下供电、远程控制等技术难题，形成完备的深水平台监测设备体系。在南海现役平台上形成完备的浮式结构监测系统，获取海洋工程装备（浮体、系泊系统、立管系统)在作业过程中的结构动力响应；通过海洋环境监测系统对平台系统的荷载响应进行同步监测。对环境荷载和平台结构系统的响应进行深入分析，修正和完善平台结构的初始设计指标。进一步延伸现场监测结果的应用范畴，使南海流花平台现场监测系统成为海上原型实验室，为南海其他深水浮式平台建造提供依据，指导平台设计。发展和完善适合于我国南海海洋环境的自主深海装备安全评定理论和设计规范。二、预期目标（一）总体目标（1）在深海工程科学技术领域，对相关理论、方法的贡献本项目将依据现场观测资料、实验室实验和理论分析相结合的方法，提出我国南海深水条件下风、浪、流、内波、畸形波等极端灾害环境的内部结构模式，流场分布规律和时间变化特性，深入开展深海工程环境因素的基础性理论研究，为我国南海深海工程结构的灾害分析提供依据。对于深海极端灾害对海洋工程结构的作用，将通过理论分析、数值模拟、实验研究和现场监测等多种手段，建立极端海洋灾害环境联合作用下海洋工程结构及其附属柔性系统的非线性大幅度运动响应的耦合分析理论、极端海洋环境长期作用下平台结构及其柔性系统的结构强度分析理论和损伤破坏理论、基于现场监测的南海平台结构性能评价理论；发展海洋平台结构模型计算、实验方法、现场监测和安全分析的一整套深海工程理论体系。（2）在深海工程科学技术领域，对设计生产实践的贡献通过系统考虑南海浮式装备的结构特征，针对其设计过程中所面临的多重非线性带来数值方法上的困难和模型实验中存在的不确定性因素等问题，本项目将探寻在南海海洋平台上构建“现场实验室”，通过在海洋工程装备上布置反应浮体、系泊系统和立管系统的监测传感器，获取平台整体结构的力学响应和所承受的荷载响应，实现实时监测、全寿命监测，发展我国自主深海监测技术和独立数据分析能力，并结合本项目建立的深海平台系统相关理论，形成一套完整的技术体系，利用长期监测结果对深海平台结构的设计指标进行分析，指导深海装备的设计，从而保障深海平台系统的长期“零事故”运营及可靠性，从总体上提升我国深水工程装备的设计能力和建造水平，发展适合于我国南海从300米到3000米的浮式装备设计理论。（3）对深海工程科学技术领域人才培养和基地建设的贡献本项目研究以我国海洋工程领域及其相关交叉领域的中青年学者为骨干，吸收资深专家的学术经验，广泛开展国际交流与合作，瞄准国际深海工程研究的前沿，力争培养出5位左右引领学科前沿、自主创新能力强、具有国际影响力、甚至领导力的海洋工程科学拔尖人才和15位左右面向学科前沿、具有自主创新能力、在国内有较大影响的海洋工程科学领先人才。在国内外重要学术期刊上发表论文200余篇、出版专著5部、申请发明专利1020项，向世界展示中国原创性研究成果。结合教育部深海工程创新实验基地的建设，形成以深海环境要素和工程结构健康监测，海洋动力因素与深海工程结构物相互作用，以及深水工程安全评定为核心的国家深水工程研究基地，提升我国在世界海洋工程研究领域的国际地位。（二）五年预期目标(1) 我国南海极端环境的工程相关特征及其模拟方法基于波浪、海流、风以及内波等的长期观测资料，给出南海极限波浪、水流、内波和风的长期时空分布特性，结合多尺度理论模型给出相应的极限波浪、海流、内波和风场等参数，满足深海工程的设计需要，同时根据现场观测资料实现对极限波浪、强水流、极限内波和灾害风场的预报，保证深海平台的安全运营。（2）深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理建立柔性结构-流体运动-海床约束的非线性耦合动力分析模型，揭示大长细比深海结构的涡激振动机理、动力响应特性和破坏机制。建立海底管道整体屈曲和局部屈曲传播的计算模型，提出海底管道主要失效模式的控制策略。通过开展深海柔性结构在极端环境荷载、工作荷载、腐蚀等在多尺度时空因素作用下的响应和破坏机理研究，提出针对深海柔性结构的设计准则，以保证其在全服役周期内的安全性。（3）深海平台结构的极端环境作用与非线性耦合响应建立台风、畸形波浪、洋流及内波等不同尺度极端海洋灾害环境与深海工程结构系统耦合作用的实时耦合计算分析模型，建立平台结构、缆索和立管动力响应的实时模拟方法，建立波浪砰击作用下结构构件强度的计算分析方法。揭示极端海洋环境对深海工程结构的作用机理，深海平台系统在极端海洋环境作用下的响应机理。给出适应于我国南海具体环境条件的最佳平台结构形式和系泊方式。（4）深海环境长期作用下平台结构的累积损伤机理明确深海海洋环境中腐蚀要素及力学要素联合作用下平台主体结构关键节点和锚链节点的耦合损伤机理、损伤累积机制，揭示复杂节点结构焊接残余应力场在结构长期动力响应作用下的衰减规律，腐蚀环境下复杂节点结构疲劳裂纹的扩展规律，非线性效应对结构疲劳损伤的影响，建立综合考虑海洋环境腐蚀、焊接残余应力等多因素耦合影响的深海平台复杂焊接结构疲劳累积损伤评估方法。（5）深海平台结构全寿命性能监测、原型验证与安全评定针对深海平台结构的极端恶劣环境和监测参量要求，把握典型深海平台结构的易损性特征，突破深海平台结构专用传感器的瓶颈，发展适于深海柔性结构的整体和局部性态监测的测点优化设计方法以及构建深海平台结构全寿命安全监测系统；建立和完善国家科技专项支持下的南海流花平台监测系统，验证南海海洋平台结构运动响应的分析理论和方法；发展基于监测信息的深海平台结构的损伤识别、损伤演化和模型修正方法；基于监测数据和上述方法成果，揭示深海平台结构的失效机理，提出平台结构的破坏准则和安全指标体系，发展南海特定环境下的参数模型，建立平台结构的安全评定与预警方法。三、研究方案（一）学术思想本项目的总体学术思想是以深海平台系统分析的整个历时性过程为根本依据，从深海环境因素的工程化模拟入手，一方面，逐步递推到深海环境因素与结构物相互作用的研究上，进行平台结构系统的动力响应、破坏与损伤过程分析与模拟；另一方面，推进现有海上现场实时监测技术向全尺度全寿命安全监测体系发展的研究，为环境模拟、运动响应、累积损伤等研究提供现场数据，并对成果的理论、方法、模型进行验证，实现数据同化。最后，两方面结合，实现平台系统安全评定理论和设计准则的建立和完善。具体研究中，以理论分析、现场资料收集、数值模型计算、物理模型实验和现场检验、监测相互结合为手段，以本项目参与各单位在相关的“国家高技术研究发展计划（863计划）”项目、“国家自然科学基金重大专项”等研究中已取得的基础性成果为平台，依托项目各单位学科优势和先进实验条件，重点研究不同尺度极端灾害联合作用下海洋工程结构系统的强非线性响应、结构局部强度和整体稳定，以及荷载长期作用下的结构损伤累积，最终建立适应我国南海深水复杂环境下海洋工程结构系统的全寿命性能监测与安全评定的理论和方法。本研究项目具体涉及到海洋工程水动力学、非线性动力学、船舶与海洋工程学、海洋学、气象学、电子学、统计学、可靠度理论、信息技术等多个学科分支，研究过程中，各学科理论需深入展开，又要彼此交织、融合，从而涵盖解答关键科学问题所需的核心内容，准确模拟深海工程实际中的技术难题，解决我国南海及世界深水油气开发中的关键科学问题。（二）技术途径深海工程是一个大型复杂的工程系统。研究对象涉及上部平台、系泊缆索、采油立管（或钻井隔水套管）、输油管线。研究内容涉及多个学科领域，从流体到固体，从结构分析到结构强度和寿命安全。研究方法涉及到理论分析、数值模拟、实验室实验、现场观测和监测。在充分考虑上述各种问题的基础上，本项目将采用如下的总体技术路线：（1） 依据长期历史观测资料和理论分析方法，建立我国南海极端环境的工程应用模型，确立不同时间尺度灾害的联合作用方式和计算模型；（2） 依据海洋灾害模型、柔性构件和平台结构的特性，建立不同尺度极端灾害和长期灾害作用的耦合数值模拟方法和实验方法，研究极端和长期灾害作用下海洋平台系统、细长柔性构件的动力响应、极限破坏和累积伤机机理；（3） 针对现场实际平台，建立深海工程结构全寿命性能监测系统，监测海洋环境条件、平台运动响应、系泊系统张力水平和平台结构内部应力。据此开展深海平台安全评定研究，以及环境灾害、计算分析方法和实验方案的验证工作。平台结构性能监测、原型验证与安全评定建立全寿命性能现场监测系统，开展全方位监测。依据监测结果和分析方法，开展平台安全评定研究，以及环境参数、计算方法和实验研究的验证工作。上述内容如图1所示，实心箭头表示研究内容的依赖关系和正向的分析途径，空心箭头表示监测、评价、验证、校正的保证体系。即在研究方法上采用一个依次递进、互相关联、回馈校正、进一步完善的方法。环境模型依据现场资料和理论分析，建立不同时空尺度深海环境因素的工程化数学模型及其联合分布模型细长柔性结构建立数值模拟和实验方法，开展柔性结构流固耦合、屈曲、失效问题研究平台结构系统依据海洋灾害的时空尺度，建立不同海洋环境作用分析模型，耦合环境作用模型和柔性结构力学分析模型，开展极端和长期环境作用下平台系统的数值分析和实验验证。图1 项目实施的技术途径（三）创新点与特色与国际同类研究和前期研究相比，本项目具有以下创新和特色：1. 建立我国南海极端环境的工程相关特征模型依据我国南海的多年现场观测资料，以作用于深水工程结构的灾害特征为研究目标，建立与当地海洋、水文、气象紧密相关的海洋工程极端环境模型，为我国南海深水油气资源的开发建立设计依据。改变长期以来盲目采用不同地区灾害模型，没有系统性、针对性和适用性的状况。2. 建立风、浪、流、内波等极端环境作用与海洋平台系统响应的非线性耦合作用分析方法通过本项目研究，将建立一个能够真正考虑多时空尺度灾害与海洋平台、系泊缆索和采油立管系统非线性相互作用的全时域耦合计算分析模型。依据我国南海风、浪、流、内波等环境灾害的真实特征和组合方式，开展计算分析和实验研究，揭示由于极端灾害空间分布和时间变化过程引起的海洋工程结构物瞬间动力放大、大振幅运动和局部破坏机理。3. 建立深海平台关键复杂节点在腐蚀及力学要素耦合作用下的损伤机制、安全评估与寿命预测方法通过研究深海平台主体结构关键节点以及锚链节点等在海洋环境腐蚀要素与力学要素联合作用下的耦合损伤机制与失效机理，提出综合考虑多因素影响的累积损伤耦合模型；建立深海平台复杂节点累积腐蚀疲劳损伤预测方法；建立考虑复杂焊接节点残余应力场与载荷响应耦合机制和演变规律的多轴疲劳寿命评估方法；建立锚链节点在海洋环境动力要素与平台运动联合作用下接触面磨损疲劳损伤预测方法；建立基于疲劳裂纹、腐蚀损伤监测信息的复杂节点剩余强度预测方法。4. 建立深海平台结构全寿命性能监测、安全评定与预警系统经过本项目的研究，将突破深海平台结构专用传感器的瓶颈，发展一套深海平台结构全寿命安全监测的构建方法；建立基于监测信息的深海平台结构的损伤与荷载实时识别、损伤演化和模型修正方法；建立深海平台结构的破坏准则和安全指标体系，发展平台结构的安全评定与多水平预警理论与方法；完善南海流花海洋平台安全监测系统，验证平台结构设计和响应分析成果。5. 计算分析、室内实验、现场监测多种方法紧密结合本项目将采用数值计算分析、室内实验和现场监测相结合的方法，对南海极端环境资料、分析理论、数值计算方法和室内实验技术的正确性和置信度相互佐证，进行全面、系统、客观的评估和验证，从而建立一套更加完整、更能反映实际海洋灾害作用、更能满足工程实际需要的分析理论、计算方法和实验技术，保证相关理论和技术在工程中的有效性和实用性。（四）课题设置本项目在课题设置上以研究内容的完整性、渗透性、协调性为根本出发点，涵盖了深海工程中极端环境特征、海洋环境因素与结构的作用、结构的响应和破坏、现场监测和安全评价等主要方面，其研究核心是前述的三大关键科学问题。在具体课题的划分上，考虑到灾害类型的差别、结构形式的差别、结构破坏形式的差别和研究方法的差别，设置以下五个课题：课题1：我国南海极端环境的工程相关特征及其模拟方法课题2：深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理课题3：深海平台结构的极端环境作用与非线性耦合响应课题4：深海环境长期作用下平台结构的累积损伤机理课题5：深海平台结构全寿命性能监测、原型验证与安全评定第1课题：我国南海极端环境的工程相关特征及其模拟方法，将针对南海环境的特殊性开展畸形波、内波时空变化关系，台风、洋流季节变化特点及其与波浪组合关系的研究，针对南海深水工程的实际应用建立数学模型，为第2、第3和第4课题提供研究基础。第2课题：深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理，针对细长柔性构件的特殊性，开展水动力特性、流固耦合作用、结构海床相互作用，以及工作荷载、腐蚀等因素作用下的响应和破坏机理研究。该课题建立的缆索、立管分析模型，将为第3课题的平台系统耦合分析模型提供支撑，同时由第3课题提供的缆索和立管顶端运动状态，又将成为本课题的研究基础。第3课题：深海平台结构的极端环境作用与非线性耦合响应，将以第1课题建立的南海灾害模型为环境条件依据，建立不同时空尺度下各环境因素与海洋平台作用的分析模型。同时，借助第2课题建立的缆索和立管分析模型，建立灾害作用下平台系统的耦合分析模型。该课题所建立的数学模型和分析结果，将为课题2、4和5提供重要的研究基础。第4课题：深海环境长期作用下平台结构的累积损伤机理，是在第3课题结构系统整体动力响应和局部砰击作用分析的基础上，依据结构部位、工作年限、腐蚀程度开展结构疲劳、损失、裂缝扩展的分析研究，对深海平台全服役期的安全性进行评价，以有效保证平台系统的安全作业。第5课题：深海平台结构全寿命性能监测、原型验证与安全评定，将发展和完善现有的现场监测和安全评定的方法，同时为南海环境灾害模型、计算分析方法和实验模拟方法提供检验和校正数据，进一步结合前述各项研究工作，形成最终项目成果，为保证深水平台的安全作业提供全寿命性能监测与安全评定的理论和方法以及相应的设计准则。在第5课题的开展过程中，有关监测点的选取、结构安全的评定方法将依赖于第2、3、4课题的分析成果。各个课题的具体研究内容、研究目标，以及人员和经费安排如下：课题1：我国南海极端环境的工程相关特征及其模拟方法1、研究内容：（1）我国南海畸形波特征及其模拟方法结合我国南海的风、浪、流等实际环境特点，在现有南海海洋和气象要素长期观测资料的基础上，研究南海海域畸形波的生成机制和发生概率，建立数值模型模拟三维波浪场的生成和特性，研究台风和水流对畸形波生成、传播和演变等的影响，同时开发适用于瞬变波浪的分析工具以研究畸形波的时-频特性，给出工程海域极限波浪的时间和空间长期分布特性，极限波浪的波形、能量以及时-频特性等，根据观测资料预报工程海域的极限波浪发生情况。（2）我国南海内波特征及其模拟方法基于我国南海的深水环境特点和长期海洋观测资料，明确南海水域的密度变化特点和跃层分布特征，研究不同类型内波的产生机制和发生规律，建立数值模型准确预报和模拟南海内波的生成、传播、演化、破碎以及内波与水流相互作用等问题，给出工程海域内波的时间和空间分布特性，极限内波的波形、能量、波速等参数。（3）我国南海海流特征及其模拟方法建立三维南海环流模式，研究南海海流的空间分布特征和南海月均环流场的水平分布特征，分析南海环流场的月季变化及其动力机制，研究并确定南海不同区域潮致混合和风致混合的深度及其影响的关键参数，给出南海海流的时间和空间特性和垂向分布特征以及流速、流向等三维流场参数。（4）台风的工程化特征及风浪联合特性建立台风和风浪耦合的数值模型，进行历史台风经过南海海域时台风的涡度场、水平速度场、垂直速度场以及台风水平、垂直风速、风剖面和边界层的高度特征分析；研究历史台风和50年一遇的台风经过南海海域时的最大波高分布以及移动路径，海浪的频谱和方向谱的演化特征，给出南海海面台风风场的结构特征和工程应用特性，确定历史极大风速和风向等参数，模拟台风经过时南海海域的风场与波浪场。2、研究目标：基于波浪、海流、风以及内波等的长期观测资料，给出南海极限波浪、水流、内波和风的长期时空分布特性，结合多尺度理论模型给出相应的极限波浪、海流、内波和风场等参数，满足深海工程的设计需要，同时根据现场观测资料实现对极限波浪、强水流、极限内波和灾害风场的预报，保证深海平台的安全运营。3、承担单位：大连理工大学、中国科学院南海海洋研究所、中国海洋大学4、课题负责人董国海5、主要学术骨干：孙昭晨、马小舟、毛庆文、龙小敏6、经费比例：项目总经费的16.094。课题2：深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理1、研究内容：（1）深海柔性结构涡激振动发生机理与控制策略基于南海波浪、海流和内波特性，开展波浪和海流、内波和海流作用下细长构件的物理实验与数值模拟研究，建立考虑尾流的三维特性、顺流向和横流向的耦合作用、波浪、海流和内波的空间分布特性的深水钢悬链线立管有限元模型，揭示深水立管涡激振动的发生机理、运动响应、疲劳破坏和控制措施。基于海底管道在外部流动作用下的涡激振动实验，提出精确描述大悬跨海底管道涡激振动的计算方法和控制准则。（2）深海柔性结构-海床-流场非线性耦合动力分析提出流动作用力和海床约束联合作用下的深海柔性立管动力响应分析模型，建立钢悬链线立管-海床的耦合计算模型，开展非线性极限环境荷载作用下钢悬链线立管的动力反应分析，掌握立管与海床和平台运动的相互作用机制。开展海底管道的底床局部冲刷实验，建立管道周围海床冲刷数值仿真模型，考虑管道-水体-海床的相互作用，提出海底管道冲刷过程的耦合动力过程计算模型，开展管道内部工作荷载（内压和温度）和外部流动联合作用下的动力稳定性研究。（3）复杂荷载和多种因素组合作用下深海柔性结构的破坏机理开展完好管状构件在内压、外压、轴力、弯矩、剪力、扭矩等外部荷载的不同组合作用下的全尺寸破坏实验，进行管状构件在复杂荷载作用下极限承载力的理论和数值仿真研究，揭示复杂应力场状态下管状构件的破坏机理，提出失效判别准则。开展腐蚀管道在复杂荷载作用下的实验和仿真研究，提出双腐蚀缺陷的相互作用准则，对具有腐蚀群缺陷管道在复杂荷载作用下的剩余强度提出分析模型和安全评价方法。（4）深海锚泊系统耦合计算模型和动力特性建立具有上端平台牵连-下端海床接触-波浪-海流联合作用下的锚泊系统耦合计算分析模型，开展锚泊系统在突变载荷下的动力响应和张力变化规律分析；计算锚泊线与海床之间接触力并确定接触区域，分析底床接触作用对锚泊线张力的影响。比较全水深锚泊线和截断水深锚泊线动力特性的区别，研究锚泊阻尼的作用机理及特性，建立有效估算锚泊系统阻尼的方法。（5）深水海底管道主要失效模式的发生机制和功能保障措施建立在高温高压作用下，考虑管-土相互作用的长悬跨段海底管道整体有限元分析模型，开展海底管道整体屈曲研究，确定其发生机理和临界荷载，提出针对大悬跨管道整体屈曲的控制措施。开展深水采油管在外压、轴力、弯矩联合作用下的理论和实验研究，揭示内管和外管相互作用的破坏机理及屈曲传播的发生机制，提出局部屈曲的计算模型和控制策略。2、研究目标：建立柔性结构-流体运动-海床约束的非线性耦合动力分析模型，揭示大长细比深海结构的涡激振动机理、动力响应特性和破坏机制。建立海底管道整体屈曲和局部屈曲传播的计算模型，提出海底管道主要失效模式的控制策略。通过开展深海柔性结构在极端环境荷载、工作荷载、腐蚀等在多尺度时空因素作用下的响应和破坏机理研究，提出针对深海柔性结构的设计准则，以保证其在全服役周期内的安全性。3、承担单位：大连理工大学、中国石油大学4、课题负责人周晶5、主要学术骨干：王永学、李昕、段梦兰、赵宏林、赵雪峰6、经费比例：项目总经费的18.750。课题3：深海平台结构的极端环境作用与非线性耦合响应1、研究内容：（1）畸形波群与深海系泊平台的作用机制和响应建立包含有畸形波的波群模型，正确描述畸形波浪的强非线性和畸形波群长短周期的多尺度时间变化特性。解决非线性瞬时波面的重构、不同尺度波浪同时向外辐射和缆索突然绷紧等数值计算难题，建立畸形波群与深海平台系统作用的非线性耦合分析模型，精确模拟畸形波浪作用下深海平台系泊缆索的突然放大现象和极限破坏过程，揭示非线性畸形波浪与深海系泊平台的作用机理，给出系泊系统与上部平台的优化组合关系。（2）畸形波浪对海洋工程结构的砰击作用和上浪在畸形波作用下，海上平台易受到波浪砰击作用和发生甲板上浪现象。波浪砰击力为局部瞬态高强度作用，对局部构件将产生巨大的冲击作用，极易引起构件的破坏；甲板上浪则会加大平台倾覆力矩，使平台运动更加复杂和不安全。本课题将开展畸形波对海上工程结构砰击作用和甲板上浪的研究工作，建立相关的数学分析模型，研究波浪砰击与构件特性间的相互耦合关系和动力荷载特性，研究甲板上浪水的动态变化以及对平台运动响应的影响，建立抨击荷载作用下的构件破坏和平台局部破损以及甲板上浪对整体倾覆危害的评价方法。（3）内波与深海平台系统的作用和运动响应建立入射内波的造波模型，精确描述我国南海入射内波场的时空变化规律。解决不同尺度的多个散射内波模态的远场吸收和界面跟踪问题，建立内波与深海平台作用及内波与非线性系泊平台作用的耦合动力分析模型。开展内波与非线性水面波浪对平台作用和平台运动响应的对比研究。开展内波与海洋平台作用的计算分析和现场观测对比研究，揭示内波引起平台大幅漂移、缆索和立管破断的机理。（4）多种极端环境联合作用与深海系泊平台的非线性耦合分析依据不同环境灾害下的风、流阻力模型、涡激运动模型、畸形波上浪模型、内波和非线性波浪作用模型以及非线性缆索和立管的动力分析模型，解决不同时间尺度灾害作用的协调、不同空间尺度波浪模态的识别和吸收、结构物大幅漂移运动下坐标系的跟踪和界面重构等难题，建立多种极端环境灾害与深海系泊平台联合作用的实时耦合动力分析模型。研究极端海洋环境联合作用下深水平台的动力响应特征和缆索、立管的安全，研究缆索的布置方式对深水平台运动和缆索、立管张力的影响，给出针对南海深水平台的最佳系缆方式。（5）极端环境作用与深海系泊平台非线性耦合响应的实验方法研究畸形波浪、多向波浪、内波、风、流等环境灾害的实验室再现方法和端部吸收方法，研究多种环境灾害作用下的联合实验技术。研究降低比尺效应的实验方法和技术，探索高雷诺数和结构高模态振动下的流固耦合实验方法。研究截断水深的混合模型试验方法，解决水池实验中截断缆索以及立管质量比和阻尼比的补偿方法，解决浮体大幅度运动下截断缆索和立管刚度的模拟方法。2、研究目标：建立台风、畸形波浪、洋流及内波等不同尺度极端海洋灾害环境与深海工程结构系统耦合作用的实时耦合计算分析模型，建立平台结构、缆索和立管动力响应的实时模拟方法，建立波浪砰击作用下结构构件强度的计算分析方法。揭示极端海洋环境对深海工程结构的作用机理，深海平台系统在极端海洋环境作用下的响应机理。给出适应于我国南海具体环境条件的最佳平台结构形式和系泊方式。3、承担单位：大连理工大学、哈尔滨工程大学4、课题负责人及学术骨干：滕斌5、主要学术骨干：任慧龙、柳淑学、李辉、宁德志、周道成6、经费比例：项目总经费的24.375。课题4：深海环境长期作用下平台结构的累积损伤机理1、研究内容：（1）深海平台在长期环境要素联合作用下的动力响应模拟研究南海海洋环境要素联合作用下，深海平台结构内部应力响应的时程模拟方法。计算分析关键节点非线性结构应力的长期时间历程，研究非线性效应对海洋平台结构疲劳损伤的影响。对深海平台非线性应力响应特征进行分析，寻找指导工程应用的结构长期动力响应模拟计算方法，研究风浪流等环境条件单独作用和联合作用下的平台非线性应力响应的长期分布形式。（2）深海平台关键节点的复杂交变应力分析与累积损伤机制焊接部位的焊接残余应力场以及由复杂载荷和节点几何形式引起的多轴交变应力状态是影响深海平台关键节点疲劳损伤的主要因素，这也是制约焊接结构关键节点疲劳损伤评估精度的瓶颈问题。本项目将研究深海平台复杂节点焊接残余应力场在结构长期动力响应作用下的衰减规律；研究关键节点在复杂交变应力状态下的多轴疲劳损伤机理；建立基于长期动力响应与焊接残余应力耦合场的深海平台关键节点多轴疲劳累积损伤评估方法。（3）深海平台关键节点和锚链在腐蚀要素及力学要素联合作用下的耦合损伤机理与损伤累积机制针对平台关键节点和锚链节点接触表面，开展海洋环境腐蚀要素与力学要素联合作用下的耦合损伤机理、损伤累积机制和建模方法研究。研究海洋腐蚀环境中复杂节点结构疲劳裂纹的扩展行为及其模拟方法，确立结构疲劳裂纹的扩展规律。（4）深海平台结构损伤构件的单元建模、整体模型修正与寿命预测为了实现含损伤深海平台在全寿命期内的累积损伤数值模拟和安全评估，基于有限元数值计算，研究确定裂纹损伤、腐蚀屈曲损伤中强度性能参量（应力强度因子、裂纹尖端张口位移、屈曲强度）的单元模型；结合全寿命期内不同时间点构件损伤状态（裂纹演变形式、构件腐蚀情况）研究整体模型修正方法，确定相应的强度性能参数；建立裂纹损伤和腐蚀屈曲损伤中强度性能参数的演变模型，确定复杂节点结构裂纹损伤和平台板格腐蚀屈曲剩余强度的预测方法。2、研究目标： 明确深海海洋环境中腐蚀要素及力学要素联合作用下平台主体结构关键节点和锚链节点的耦合损伤机理、损伤累积机制，揭示复杂节点结构焊接残余应力场在结构长期动力响应作用下的衰减规律，腐蚀环境下复杂节点结构疲劳裂纹的扩展规律，非线性效应对结构疲劳损伤的影响，建立综合考虑海洋环境腐蚀、焊接残余应力等多因素耦合影响的深海平台复杂焊接结构疲劳累积损伤评估方法。3、承担单位：中国海洋大学、大连理工大学4、课题负责人李华军5、主要学术骨干：黄一、董胜、王树青、刘刚、张崎6、经费比例：项目总经费的18.906。课题5：深海平台结构全寿命性能监测、原型验证与安全评定1、研究内容：（1）深海平台结构测点优化、监测传感器及网络系统 研究平台结构局部性态测点的必要性和冗余准则以及适于结构动态参数识别、损伤特征提取和结构模型修正的整体测点优化方法；针对平台结构在极端海洋环境作用、长期环境作用下的失效机理和模式，突破和发展深海平台结构恶劣服役环境的专用传感器和布设方法；研究平台结构全寿命性态监测系统的设计和集成方法。（2）南海流花海洋平台监测基地和监测网络集成系统 完善、深化业已开展现场监测工作的南海流花平台监测系统，研究智能化、网络化的监测系统集成方法；研究数据集成和同化理论；监测流花平台环境因素的工程化特性，评估流花平台的结构运动响应。（3）深海柔性结构分布式健康监测理论、损伤机理和反演识别研究深海平台柔性构件损伤演化与抗力衰减规律；研究适于深海柔性构件损伤监测的分布式导波监测方法以及典型损伤特征参数与导波相关特性的相互关系，发展基于分布式导波监测数据的深海柔性结构损伤的定量识别与反演方法。（4）深海平台结构监测数据建模、损伤机理和安全预警 构建深海平台结构长期监测的信息数据库，发展并完善适于深海平台结构的参数模型；研究深海平台结构局部、子结构、分散化损伤推断和识别方法，研究深海平台结构失效判别指标及破坏准则；建立基于监测数据的深海平台结构的多水平安全预警方法。（5）深海平台结构监测信息同化和安全评定 研究深海平台结构环境与结构响应的信息同化方法；研究描述平台设计指标和损伤条件的特征参数，评估深海浮式平台结构的设计指标与全寿命损伤情况；研究极端环境条件下和工作环境条件下深海平台结构当前状态下构件层次和整体层次安全评定理论与方法。2、研究目标：为了提升我国深海平台结构设计和推动南海油气开采进程，针对深海平台结构的极端恶劣环境和监测参量要求，把握典型深海平台结构的易损性特征，突破深海平台结构专用传感器的瓶颈，发展适于深海柔性结构的整体和局部性态监测的测点优化设计方法以及构建深海平台结构全寿命安全监测系统；建立和完善国家科技专项支持下的南海流花平台监测系统，验证南海海洋平台结构运动响应的分析理论和方法；发展基于监测信息的深海平台结构的损伤识别、损伤演化和模型修正方法；基于监测数据和上述方法成果，揭示深海平台结构的失效机理，提出平台结构的破坏准则和安全指标体系，发展南海特定环境下的参数模型，建立平台结构的安全评定与预警方法。通过本项目的多学科综合、交叉和高新技术集成的创新性研究，为深海平台结构的安全运行提供系统的理论、方法和技术。3、承担单位：大连理工大学、哈尔滨工业大学4、课题负责人岳前进5、主要学术骨干：欧进萍、周智、段忠东、肖仪清、武文华、唐达6、经费比例：项目总经费的21.875。上述五个课题的研究内容，以包含我国南海特有的极端海洋灾害在内的复杂深海环境因素为立脚点，从南海深水油气开采的迫切工程需要出发，以理论分析、数值模拟、实验室实验、现场监测和综合评定等为手段，以长期和极端深海环境因素对整体平台系统和关键位置构件的综合作用为对象，以平台结构系统的安全为目标，紧紧围绕三个有机联系的关键科学问题，开展系统性的科学研究工作。所设立的五个研究课题，特色鲜明，各有侧重，但彼此关联、相互补充，体现了整个项目研究工作的完整性、交叉性和协调性，从而确保能够有计划的完成各项研究内容，全面实现总体研究目标。（五）课题间相互关系本项目在课题设置上以研究内容的完整性、渗透性、协调性为根本出发点，涵盖了深海工程中极端环境特征、海洋环境因素与结构的作用、结构的响应和破坏、现场监测和安全评价等主要方面，其研究核心是前述的三大关键科学问题。在具体课题的划分上，考虑到灾害类型的差别、结构形式的差别、结构破坏形式的差别和研究方法的差别，设置以下五个课题：课题1：我国南海极端环境的工程相关特征及其模拟方法课题2：深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理课题3：深海平台结构的极端环境作用与非线性耦合响应课题4：深海环境长期作用下平台结构的累积损伤机理课题5：深海平台结构全寿命性能监测、原型验证与安全评定第1课题：我国南海极端环境的工程相关特征及其模拟方法，将针对南海环境的特殊性开展畸形波、内波时空变化关系，台风、洋流季节变化特点及其与波浪组合关系的研究，针对南海深水工程的实际应用建立数学模型，为第2、第3和第4课题提供研究基础。第2课题：深海柔性结构的非线性流固耦合振动与破坏机理，针对细长柔性构件的特殊性，开展水动力特性、流固耦合作用、结构海床相互作用，以及工作荷载、腐蚀等因素作用下的响应和破坏机理研究。该课题建立的缆索、立管分析模型，将为第3课题的平台系统耦合分析模型提供支撑，同时由第3课题提供的缆索和立管顶端运动状态，又将成为本课题的研究基础。第3课题：深海平台结构的极端环境作用与非线性耦合响应，将以第1课题建立的南海灾害模型为环境条件依据，建立不同时空尺度下各环境因素与海洋平台作用的分析模型。同时，借助第2课题建立的缆索和立管分析模型，建立灾害作用下平台系统的耦合分析模型。该课题所建立的数学模型和分析结果，将为课题2、4和5提供重要的研究基础。第4课题：深海环境长期作用下平台结构的累积损伤机理，是在第3课题结构系统整体动力响应和局部砰击作用分析的基础上，依据结构部位、工作年限、腐蚀程度开展结构疲劳、损失、裂缝扩展的分析研究，对深海平台全服役期的安全性进行评价，以有效保证平台系统的安全作业。第5课题：深海平台结构全寿命性能监测、原型验证与安全评定，将发展和完善现有的现场监测和安全评定的方法，同时为南海环境灾害模型、计算分析方法和实验模拟方法提供检验和校正数据，进一步结合前述各项研究工作，形成最终项目成果，为保证深水平台的安全作业提供全寿命性能监测与安全评定的理论和方法以及相应的设计准则。在第5课题的开展过程中，有关监测点的选取、结构安全的评定方法将依赖于第2、3、4课题的分析成果。四、年度计划第一年度研究内容：1、搜集我国南海海域的波浪、内波、海流、台风以及地形等实测资料，整理并分析数据，初步确立我国南海深水极端环境因素的特征。2、建立畸形波、内波与结构物作用的非线性时域分析模型；研究畸形波的时空分布特性、运动特性和动力特性等对海洋平台运动响应的影响；研究内波的运动特性、能量传播特性，分析内波的生成及传播机理。开展管线悬跨段涡激振动响应的数值模型研究，建立管道周围海床冲刷数值仿真模型，开展海底管线的底床局部冲刷实验、立管结构涡激振动模拟实验。基于静力等效设计原则，采用不同的优化算法设计等效水深截断锚泊系统，对海洋工程模型试验可用的粘滞阻尼器进行设计。3、研究南海海洋环境要素联合作用下，平台结构应力响应时程的模拟方法；研究复杂焊接节点结构的残余应力场和结构表面电化学特征参数的分布状态；研究裂纹最大张口位移与其它性能参数之间的相关性。开展完好管线在复杂荷载作用下的全尺寸破坏试验，单点腐蚀管线在腐蚀荷载作用下极限承载力的数值仿真分析，以及平坦海床上高温高压海底管线的整体屈曲仿真研究。4、开展平台结构局部和整体性态测点优化方法研究，发展深海平台结构恶劣服役环境的专用传感器和布设方法、分布式导波监测方法、以及深海平台结构损伤推断和识别方法。开展深水海底管线分布式健康监测方法研究。预期目标:1、初步确立南海畸形波的发生频率和条件；提取南海不同类型内波特征以及相应的海水垂向层化状况，确定海水垂向层化结构季节性变化对南海内波基本特征的影响；确定南海海流的时空分布特征和南海月均环流场的水平分布特征；统计出南海深水水域台风的发生频率和强度。2、 完成畸形波、内波与结构物作用的时域分析模型；掌握涡激振动发生发展规律，验证完好管线在复杂荷载作用下数值仿真模型的准确性，揭示大长细比深海结构的涡激振动机理、动力响应特性和破坏机制。建立深水极端海洋灾害环境的实验室模拟技术和方法，获得等效水深截断锚泊系统的优化模型，设计出性能良好的防水粘滞阻尼器。3、确立深海平台结构应力响应时程的模拟技术；确立复杂焊接节点结构焊接残余应力场的计算方法；初步揭示复杂焊接节点结构的腐蚀损伤机理及特征；建立含裂纹损伤复杂节点结构的工程化有限元模型。提出单点腐蚀管线在复杂荷载作用下的失效准则。实现高温高压海底管线整体屈曲临界荷载的确定。4、提出平台结构局部和整体性态测点优化方法；提出23深海平台结构恶劣服役环境专用传感器和布设方法；建立23种深海平台结构损伤推断和识别算法。提出深水海底管线的全寿命分式健康监测方法。第二年度研究内容：1、分别对南海畸形波、海流、内波和台风建立数值模型；开展利用观测资料和物理模型实验数据对数值模型实验进行充分验证并改进模型，实现数值模拟结果与观测结果和实验数据的良好符合。2、应用非线性有限元方法建立系泊缆索和立管的动力分析模型，开展锚泊系统阻尼的作用机理研究；建立畸形波、水流、内波与结构物联合作用的非线性时域分析模型，研究畸形波作用下的海洋平台砰击与上浪载荷的预报方法；开展海底管线悬跨段涡激振动响应的数值模型研究，海底管线悬跨段涡激振动响应的实验研究。针对典型平台，采用两种比尺进行“被动截断”混和模型试验。3、研究非线性效应对海洋平台结构疲劳损伤的影响；试验测量焊接试件残余应力场在交变应力作用下的衰减规律；研究复杂节点结构腐蚀损伤的累积机制；分析裂纹尖端应力强度因子的影响参数。开展完好管线在复杂荷载作用下的敏感性分析，双点腐蚀管线在复杂荷载作用下全尺寸实验和数值仿真分析。研究基于分布式健康监测数据的分析处理算法。研究土体塑性变形、非线性土体刚度退化、海床土吸力变化以及沟槽形态等因素对立管触地区的影响。研制触地区管土相