深水工程环境下柔性立管的轴向结构阻尼特性研究

When deep-water flexible risers are subjected to axial stochastic tensile loads, viscoelastic properties of polymer layers and frictions between the adjacent layers can generate axial structural damping which is usually neglected or assumed in global analysis by the industry. Consequences of cost or risk may result. Therefore, it is necessary to study the axial structural damping behavior of flexible risers and capture the key controlling factors. Loss factor based on strain energy will be used to characterize the axial structural damping of flexible risers. This project intends to study the constitutive relationships of linear viscoelastic material by experimental and theory studies. The influence of temperature and loading frequency on the performance of polymers will be identified. Build a viscoelastic structural response model considering temperature-stress field to understand the influence of viscoelastic properties of the polymers, interface friction, temperature gradient, load frequency on the axisymmetric structural behavior of flexible risers. The axial structural damping characteristics of deep-water flexible risers under coupling of random load and temperature gradient will be established. The calculation method of the overall axial structural damping and the main controlling factors will also be obtained. Those results can provide a theoretical basis for the accurate selection of the axial structural damping value in the global analysis and further enhance the engineering of the flexible risers.

深水柔性立管在受到轴向随机拉伸载荷时，其内部聚合物材料的粘弹性和层间界面摩擦会产生一定的轴向结构阻尼，该阻尼常被业界忽略或估算，过高或过低的估算将会导致资源浪费或安全隐患，因此研究影响柔性立管轴向结构阻尼特性的关键因素及内在机制将十分必要。本项目拟采用基于应变能的损耗因子表征柔性立管的轴向结构阻尼，利用理论分析、蠕变/松弛试验相结合的方法研究粘弹材料的本构关系，揭示温度与加载频率对柔性立管聚合物材料性能的影响规律，构建温度-应力场耦合的粘弹性结构响应模型，阐明聚合物粘弹特性、界面摩擦、温度梯度、加载频率等对柔性立管轴对称结构行为的影响机制，建立随机载荷和温度梯度耦合作用下的深水柔性立管轴向结构阻尼特性模型，获得整体轴向结构阻尼的计算方法及其主控因素。研究结果将为整体分析中轴向结构阻尼值的准确选取提供理论依据，对提升柔性立管的工程设计水平具有重要意义。

深水柔性立管在受到轴向随机拉伸载荷时，其内部聚合物材料的粘弹性和层间界面摩擦会产生一定的轴向结构阻尼，该阻尼常被业界忽略或估算，过高或过低的估算将会导致资源浪费或安全隐患，因此研究影响柔性立管轴向结构阻尼特性的关键因素及内在机制将十分必要。本项目从聚合物材料的粘弹性本构关系出发， 采用基于应变能的损耗因子表征柔性立管的轴向结构阻尼，围绕 “多因素耦合作用下的深⽔柔性立管轴向结构阻尼”问题开展研究，研究内容包括柔性立管聚合物材料的本构关系、基于多场耦合的深水柔性立管轴对称结构响应模型和随机载荷与温度梯度耦合作用下的柔性立管轴向结构阻尼模型。本项目利用理论分析、蠕变/松弛试验相结合的方法揭示了温度与加载频率对柔性立管聚合物材料性能的影响规律，构建了温度-应力场耦合的粘弹性结构响应模型，阐明了聚合物粘弹特性、界面摩擦、温度梯度、加载频率等对柔性立管轴对称结构行为的影响机制，建立了随机载荷和温度梯度耦合作用下的深水柔性立管轴向结构阻尼特性模型，获得了整体轴向结构阻尼的计算方法及其主控因素。研究结果为整体分析中轴向结构阻尼值的准确选取提供理论依据，对提升柔性立管的工程设计水平具有重要意义。本项目共发表论文8篇，其中SCI论文5篇，授权发明专利1项，以该成果作为重要支撑荣获2020年度中国海洋科学技术一等奖（本人排名5/15）和2021年度中国产学研合作创新成果二等奖（个人排名第一）。