局部系泊失效下深海张力腿平台响应特性与鲁棒优化研究

In recent years, major accidents in deep-water engineering frequently occurred, due to the lack of structural capability to resist the “progressive collapse” (i.e. robustness). Among them, deep-water Tension Leg Platform (TLP) including its mooring system, which holds highly complicated nonlinearities, was prone to progressively capsize induced by the failure of certain tendons. Comprehensive studies on how to properly control the robustness of the TLP system are insufficient for the industry and the academia at present. The project plans to proceed with the dynamic analysis on the TLP coulping system of hull-tendons by theoretical and model experimental methods, aiming to reveal the mechanism and failure mode of the TLP after one tendon’s transient failure. Based on this, an evaluating process and quantitative calculating method on the TLP’s robustness is to be set up. And then parameters study for the component’s geometry, material, connection etc. is to carry out for distinguishing key factors and their effects on the failure mode and critical path. At last, specific measures to enhance and/or control the TLP’s robustness will be developed by using feasible robust optimization methods. Results will be benifical for deep-water TLP’s survivability, and futhermore provide a theoretical foundation and practical approaches to realize the unity of deep-water engineering’s safety and economy.

近年来深海工程中重大事故频发，往往是由于结构抵抗连锁破坏能力即鲁棒性不足而造成的。深海张力腿平台（TLP）及其系泊系统是一个十分复杂的强非线性系统，部分筋腱的失效会诱发连续失效进而导致平台倾覆。目前工程界和学术界对于如何妥善控制TLP系统的鲁棒性还缺乏系统性研究。本项目拟从张力腿平台-张力筋腱的耦合系统动力学分析入手，利用理论分析与模型实验相结合的研究手段，揭示张力筋腱瞬态失效对TLP系统整体性能的影响机制及其动力失效模式。并以此为依据建立顺应式动力耦合结构系统的鲁棒性评估流程及其定量计算方法，对构件尺度与材料属性、连接方式等因素进行敏感度分析并找出关键要素，确定其对失效模式和关键路径的影响。最终运用可行鲁棒性优化方法制定能够增强或控制单腱失效后TLP系统鲁棒性的具体措施。为提高深海张力腿平台在局部结构失效后自存能力，实现深海工程安全性与经济性的完美统一，提供理论依据与工程实用方法。

在深海油气开发中张力腿平台是典型的浮式平台结构之一，通常包括平台浮体，张力筋腱以及立管系统。近年来深海工程中重大事故频发，往往是由于结构抵抗连锁破坏能力即鲁棒性不足而造成的。深海张力腿平台（TLP）是一个十分复杂的刚柔耦合多体系统，部分筋腱的失效会诱发连续失效进而导致平台倾覆。目前工程界和学术界对于如何妥善控制平台系统的鲁棒性还缺乏系统性研究。本项目从张力腿平台-张力筋腱-立管系统的完整耦合系统的动力分析入手，对局部系泊失效下平台系统的动力特性变化及平台失效机理展开研究，完成了局部系泊失效下张力腿平台系统的鲁棒性评估及鲁棒性优化方法的研究，取得了系列重要研究成果，包括：1）建立张力腿平台-张力筋腱系统-立管系统（包括液压张紧器）的完整耦合数值计算模型，归纳了各海况下一根（或多根）张力筋腱失效后的平台系统各结构响应的影响规律；2）揭示了瞬态失效张力筋腱对平台系统整体性能影响的力学机理，并完成了张力筋腱连续渐进失效的全过程模拟并得到海况与失效路径的定量关联；3）提出了局部系泊失效下平台系统确定性鲁棒性评价指标，并提出考虑不确定性的鲁棒性定量评估方法；4）制定能够增强或控制单腱失效后平台系统鲁棒性优化的具体措施并提出水下承压结构的连续体结构拓扑优化方法。上述研究的开展及成果的获得可为张力腿平台的工程设计和安全运营提供必要的理论与技术支持，具有重要的理论价值和工程意义。