复杂环境下深海工程结构动力特性与安全可靠性研究

Under the extreme marine environment, impact load as well as wind, waves and flows of water could all cause dynamic effects leading to structural damage of platforms and other underwater structures. However, current studies on these subjects are not perfect both on theory and mathematical method. This proposed research focus on the dynamic behavior of deepsea structures and their reliability under complex environment. The main topics are: mechanism and numerical analysis of coupling effects among hydro-dynamics, structure and foundation;dynamic analysis of deepsea structures under extreme marine environment loads;transient response of deepsea structures under impact load;safety and reliability analysis of deepsea structural system. Based on achievements of the above topics, a fully coupling time domain analysis of the strongly nonlinear deepsea floating platform system is available, as well as the establishment of the model of dynamic response and damage mechanism of deepsea structures under extreme marine environment loads and impact load, and a theoretical system of reliability assessment and control of the complex deepsea platform system. Thus,the research would contributes to the design and safe operation of deepsea floating platforms with sounded theoretical improvements.

极端海洋环境下的风浪流环境载荷和冲击性载荷造成深海平台及水下结构物发生动力效应，导致结构严重破坏。然而，目前的研究在计算理论和方法上仍存在不足，以上问题还未能得到妥善解决。本课题拟进行复杂环境下深海工程结构动力特性与安全可靠性研究。主要研究内容包括：水动力－结构－地基耦合作用机理与数值分析；极端海洋环境载荷作用下的深海工程结构动力特性分析；冲击载荷作用下的深海工程结构瞬态响应研究；深海工程结构系统安全可靠性研究。通过以上研究以期能够提出深海浮式平台系统的强非线性时域全耦合分析方法，建立极端海洋环境载荷及冲击载荷作用下的深海工程结构动态响应和损伤机理模型，构建复杂模式下的深海平台系统动力安全可靠性评估与控制理论体系，从而为深海浮式平台的设计与安全运营提供理论依据。

极端海洋环境下的风浪流载荷及冲击性载荷将引发深海平台及水下结构物的动态响应，进而会引发结构破坏。课题针对当前理论及计算方法上的不足，结合理论分析、数值分析及试验分析方法，针对典型深海平台（TLP、ETLP、半潜式平台）及水下结构系统（张力腿，立管及水下油气生产系统），开展深海工程结构在复杂环境载荷下的动力特性及安全可靠性研究，提出了一些新的计算方法及理论，得到了一些列具有理论价值与实际工程意义的计算分析结论，为解决实际工程问题积累了经验。通过开展水动力－结构－地基耦合作用机理与数值分析研究，提出了深海浮式平台系统的非线性全耦合时域分析方法，得到了全耦合模型非线性运动响应特征结果，对张力腿平台等深海结构的动力特性与响应规律有了比较全面的认识；基于全耦合时域分析模型，围绕张力腿平台、半潜式平台和深海水下生产系统，开展极端海洋环境载荷和抨击载荷作用下的深海工程结构动力特性分析，揭示了张力腿（立管）参数激振-涡激振动、屈曲及屈曲传播动态特性，建立了水下生产系统高压—地震耦合分析及抗震稳定性分析模型，提出了冲击载荷作用下深海工程系统及区域结构动态响应及变形破坏机理分析方法；结合理论及实验，提出了深海浮式平台结构动态可靠性分析理论及模型，改进了已有立管系统可靠性算法。基于全耦合分析模型，得到复杂载荷作用下平台结构应力时域分析结果，建立了复杂模式下深海浮式平台系统时变可靠性分析模型，提出了基于可靠性评估模型的平台动态维修方法，为平台系统安全保障和控制提供指导。