深水钢悬链线立管大挠度柔性索模拟方法研究

钢悬链线立管是近年来发展起来的一项深水立管技术，适用于水下生产系统和浮式平台的油气输入输出。我国南海深水主要是气田，最佳开发方案是水下生产系统和浮式生产设施的组合系统。因此，钢悬链线立管在我国南海油气资源开发中将占有举足轻重的地位，其应用前景十分广阔。目前，钢悬链线立管研究主要采用Euler梁模型和集中质量模型，不能很好地模拟触地点区域的大挠度弯曲性能。本项目采用大挠度柔性索模型模拟钢悬链线立管，考虑大曲率和轴向伸长对弯曲变形的影响，研究大挠度柔性索模型的参数敏感性。采用大挠度柔性索和弹性地基梁组合模型，考虑地基土的非线性滞回特性，研究钢悬链线立管与海底相互作用机理及其对钢悬链线立管非线性动态响应的影响。采用流固耦合的非线性涡激振动模型，考虑涡激升力的非线性流固耦合性质和海底流线段的影响，研究钢悬链线立管涡激振动的时域模拟方法。研究成果可为钢悬链线立管的设计分析和进一步深入研究提供参考。

在国家自然科学基金委员会的认可和资助下，在中国海洋大学的科学管理和大力支持下，本项目经过三年的研究，顺利超额完成了项目计划书规定的任务，取得了如下成果：.1、建立了钢悬链式立管的大挠度柔性索模型及相应的分析方法.本项目建立的大挠度柔性索模型克服了用直梁段模拟曲线梁和集中质量模拟分布质量的不足，使钢悬链式立管的数值模拟更符合实际结构的几何和力学特征，该方法具有工程应用价值，已获国家发明专利。.2、提出了钢悬链式立管与浮式平台的系统结构模型，建立了钢悬链式立管与浮式平台的整体分析方法。.本项目建立的整体分析方法，克服了耦合分析方法的不足，实现了位移、速度和加速度的无缝隙传递，从而更加准确地反映出结构的实际运动和受力状态。该方法也获得了国家发明专利。.3、提出了钢悬链式立管与海底相互作用的弹性基础梁模型，建立了考虑海床土非线性和吸力的钢悬链式立管与海底相互作用模拟方法。.本项目建立的弹性基础梁模型克服了弹簧模拟的不足，降低了对单元尺寸的要求，大大提高了分析精度和计算速度，可实现快捷的工程设计分析，有较大的工程应用价值。以该方法申请的国家发明专利已进入实审阶段。.4、提出了钢悬链式立管出平面运动的刚体摆动模型，建立了考虑刚体摆动的钢悬链式立管出平台运动分析方法。.目前，国内外在该领域的研究均没有考虑钢悬链式立管的悬垂段在平面内的流和出平面的浪作用下所产生的刚体振荡运动，因此，本项目提出的钢悬链式立管出平面刚体摆动振荡运动是一个全新的概念，以该方法申请的国家发明专利已进入实审阶段。.5、建立了考虑大位移流固耦合的钢悬链式立管涡激振动非线性时域分析方法.本项目提出的考虑大位移流固耦合的钢悬链式立管涡激振动非线性时域分析方法，克服了尾流振子模型的弱耦合不足，可以解决深水立管、特别是钢悬链式立管等大柔性深水立管的大位移强流固耦合涡激振动分析计算，该方法具有工程应用的开发价值，已获国家发明专利。.上述五项成果体现了本项目的研究特色和创新性，此外，在该项目资助计划的支持下，本项目还开展了一些带有前瞻性和方向拓展性的工作，如柔性管立管和基于雷诺相似的涡激振动分析试验方法等。基于这些研究工作，共获得国家发明专利15项，新申请国家发明专利19项，发表期刊论文27篇，会议论文13篇，出版专著2部，培养博士研究生2名，硕士研究生13名。受邀在全国性会议上作特邀报告两次。