深海臍帶纜耦合等效模型及隨機性最佳化設計研究

《深海臍帶纜耦合等效模型及隨機性最佳化設計研究》是依託上海交通大學，由楊和振擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：深海臍帶纜耦合等效模型及隨機性最佳化設計研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：楊和振
• 依託單位：上海交通大學

項目摘要

研究深海臍帶纜耦合等效模型和基於超模型的可靠度最佳化設計方法。彎曲加強器是安裝在油氣開採“生命線”的臍帶纜頂部與平台連線的關鍵設施，由於受到波浪、流以及平台運動而易產生疲勞破壞，危及油氣安全生產。同時時域疲勞分析中存在諸多不確定因素，且減小其體積不僅降低製造成本也利於安裝。此外，彎曲加強器的結構動力非線性以及隨機性特性，使得疲勞可靠度最佳化設計運算量極大，研究提出基於超模型的疲勞可靠度最佳化設計方法意義較大。首先建立臍帶纜耦合等效整體模型，接著對彎曲加強器材料疲勞性能試驗得到疲勞曲線；然後對彎曲加強器進行疲勞分析；考慮疲勞機率性約束，進行基於超模型的疲勞可靠度最佳化設計分析，最終實現滿足一定安全可靠度的、成本最低的彎曲加強器設計，並且進行相應的疲勞測試實驗驗證最佳化方案。本項目的研究將為深海臍帶纜設計提供新的途徑和方法，為我國深海資源開發的水下臍帶纜系統提供科學依據和技術保障。

結題摘要

在國家自然科學面上項目基金（51379005）資助下，本項目課題組在國內外學術刊物上研究中分別標註論文27篇，其中國際雜誌文章12篇，國核心心期刊文章15篇，SCI收錄13次，EI收錄7次。已培養研究生11名，取得可喜成績。本項目研究工作的創新內容如下： （1） 建立深海臍帶纜新型數值分析模型，並且與實驗分析結果相對比。深海臍帶纜是深水資源開發的關鍵設備，安裝成本低，適用於惡劣的深海環境，由於臍帶纜結構型式複雜，層與層之間摩擦、接觸等諸多強非線性特性，提出一個高效的數值分析模型，對其剛度進行求解，與實驗對比，探討了內壓和拉伸、扭轉、彎曲等組合載荷對臍帶纜剛度的影響。所提簡化數值分析模型與實驗結果吻合較好。 （2） 提出不規則波浪條件針對深海立管參量共振與渦激振動耦合的分析計算方法。在實際的海洋環境條件下，立管同時遭受到海洋波浪和海流的作用，傳統的立管的參量共振分析僅僅考慮平台運動導致的參量共振，或者僅僅考慮流導致的渦激振動。然而，實際的海洋環境下，參量共振與渦激振動會同時作用於立管，這樣將導致立管疲勞破壞。研究提出新的渦激振動和多頻激勵下的參量共振耦合作用方法，分析給出了抑制不規則波浪條件下渦激振動與參量共振發生的深海立管設計建議。 （3）提出深海複合材料立管基於可靠度的最佳化設計方法。對於正交各向異性層合複合材料結構而言，疊層順序不同、各層鋪角變化以及層間厚度差異等都會影響到結構的承載能力，因此，有必要引進可靠度作為最佳化設計指標。首先，根據經典層合板理論計算等效模型，建立懸鏈線複合立管整體模型，運用實驗設計方法構建近似模型，最後利用蒙特卡羅法對比分析確定性最佳化與可靠度最佳化計算的結果，研究表明，最佳化後的深海複合材料立管在滿足設計要求下，可以有效降低設計成本，所提出的基於可靠度最佳化設計的複合材料懸鏈線立管具有可行性。所提的方法和研究結論可為深海臍帶纜設計提供參考。所有預期的項目指標都圓滿完成。