基于非线性动力学的深海系泊系统结构特性识别及模型修正技术研究

As the main stationkeeping facility for floating structures in deep water, the safety of the mooring system is vital to assure the safe activities of resource exploitation. It is required to establish an accurate nonlinear analytical model to predict the dynamic behaviors of the mooring system. By the means of combination of theoretical analysis, numerical simulation and model testing, the present research will study the nonlinear dynamics problem from the perspective of inverse problem and break through the traditional linear-based methods. An integrated analytical model will be established as the baseline model with the consideration of the geometrical, material and load nonlinearities. The time-frequency characteristics of the dynamic response under environmental loads and the nonlinear properties of the mooring structures will be deeply investigated applying the nonlinear system identification techniques. Based on the study of time-frequency analysis and system identification, the model updating technology for the mooring system will be proposed to refine the baseline model. This study would significantly contribute to reveal the nonlinear mechanism of the mooring system. It may also lay a solid foundation for the establishment the reliable analytical model for mooring system. The scientific and technological achievements of this study would provide theoretical guidance and technical support for the improvement of practical design of the deepwater mooring system.

系泊系统作为深海浮式结构的主要定位设施，其结构的安全性对于保证深海资源高效开发至关重要。要准确预测系泊系统在复杂海洋环境作用下的动力响应，需要建立符合其非线性动力学特征的分析模型。本项目从结构动力分析逆问题的角度出发，突破传统分析方法基于线性系统的限制，运用理论分析、数值模拟与实验研究相结合的手段，以多成分复合系泊缆基础动力分析模型为立脚点，计入几何非线性、材料非线性及荷载非线性因素；采用基于响应的非线性系统辨识方法，深入探索系泊系统在外部激励作用下的动力响应时频特性并明确系泊系统非线性结构特性，在此基础上发展具有工程可操作性的系泊系统非线性模型修正方法，以修正完善系泊系统动力分析模型。本项目对揭示深海系泊系统非线性动力特性具有重要意义，为建立合理可靠的系泊系统分析模型奠定了基础，为进一步提高深海系泊系统设计安全性提供理论依据和技术参考。

深海大型浮式结构系统是深海资源开发的基础性设施，其中系泊系统作为主要的定位工具，对于保证浮式平台作业系统安全稳定工作起到关键性作用。深海系泊系统分析模型建立和动力响应分析属于典型的包含几何非线性、材料非线性、荷载非线性、接触非线性等因素的非线性动力学问题。目前系泊系统与浮体运动及环境荷载的耦合机理尚不清晰，设计分析理论和方法有待提升，制约了我国对海洋的进一步开发能力。本项目围绕深海浮式结构系泊系统非线性动力特性这一关键科学问题，结合理论分析、数值模拟及物理模型试验多种手段开展深入研究。分别采用了细长杆理论和非线性有限元理论，考虑几何、材料及接触非线性因素，建立了精确、高效的系泊系统整体分析模型。研究系泊锚链单元间的非线性接触模拟方法，精细分析导缆孔处系泊系统局部结构在“拉伸”、“弯曲”、“扭转”状态下的力学特性，揭示复杂受力状态下的耦合效应。设计制作了系泊锚链拖曳力系数识别物理模型试验装置，结合基于CFD技术的数值模拟分析方法，系统开展了雷诺数、来流方向、锚链粗糙度等因素对于系泊锚链拖曳力系数的影响规律研究。研发了一套采用强迫振荡激励实验法测量系泊锚链阻尼的试验技术，与指示图法相结合，系统开展了锚链导缆孔处的运动振幅、运动周期、锚链尺寸、预张力以及环境要素等因素对于系泊锚链阻尼的影响规律。基于NARX神经网络技术结合谐波探测法，提出了使用波高序列和运动响应的海洋浮式系泊结构物非线性系统传递函数识别方法，可对于系泊系统非线性响应传递函数及系泊浮体非线性波浪荷载传递函数进行准确识别。发展了深海系泊结构模型修正技术，结合数值模拟与实验分析结果，选择优化修正参数，最终建立更为准确的深海系泊结构动力分析模型。本研究为深海系泊系统的安全设计提供理论基础、技术支撑和参考依据，具有切实科学意义及工程实用价值。