海洋能源开发装备中关键力学问题专题序

阎军

(大连理工大学工程力学系,工业装备结构分析国家重点实验室,辽宁大连 116024)

(大连理工大学宁波研究院,浙江宁波 315016)

海洋中石油、天然气及风能、潮汐能等能源储量丰富,海洋能源的开发是当今世界各国竞相开发的关键领域.海洋能源的开发离不开一系列先进的工业装备,经过长期持续不懈的研发,我国已经基本具备了海洋能源开发装备设计、生产、测试和应用的关键技术.同时,由于研发起步相对较晚,部分技术仍未能实现完全自主可控,其中蕴含了丰富的关键力学问题的挑战.随着海洋强国战略的实施,我国的科研院所、高等学校和相关企业积极开展了海洋能源开发装备中关键力学问题的研究.部分工作已经取得了丰硕的成果,实现了技术突破,为我国海洋能源开发装备的自主可控研发与创新奠定了扎实的力学基础.

海洋能源开发装备主要包括海面装备(海洋平台、大型浮体、高技术船舶、浮式风机等)、海底装备(水下采油树、水下管汇、水下机器人等)以及水中的连接装备(海洋立管、脐带缆、低温柔性管道、海底电缆、锚索等).海洋能源开发装备长期服役于复杂的海洋环境中,承受着苛刻的环境荷载、功能荷载以及意外荷载的作用.在上述荷载的作用下,海洋能源开发装备易发生包含多种力学行为的复杂失效形式,导致开发系统无法运行,甚至造成严重的海洋生态灾害或巨大的经济损失.为保证海洋能源开发装备的长期可靠运行,需要针对其设计、制造、测试及应用中的关键力学问题进行深入系统的研究.

基于上述介绍,《力学学报》组织了“海洋能源开发装备中关键力学问题研究”专题,包括1 篇综述和9 篇研究论文,旨在展现我国海工企业、涉海科研院所和高等院校等在海洋能源开发装备领域的最新研究成果,以促进学术交流,供同行学者和技术人员参考.

首先,在海洋能源开发装备中,连接装备需要承受海洋环境中恶劣的波浪、海流、深水高压、介质温度以及长距离传输引起的自重等荷载,极易发生结构失效.因此针对此类装备力学问题的研究一直是海洋能源开发领域研究的热点.其中连接于海面和海底装备之间的海洋电缆是能源传输、生产控制的关键装备,被誉为海洋能源开发的“神经线”.本专题组织了一篇海洋电缆中关键力学问题的综述,由大连理工大学海洋装备强度分析与创新设计团队完成.围绕海洋电缆多构件、多层螺旋缠绕的结构特点,全面总结了海洋电缆结构设计、分析及测试领域关键力学问题的研究进展,揭示了该领域的主要研究方法和关键技术难点,并展望了未来发展的主要技术需求和热点方向.

海洋能源开发装备在设计分析时往往需要考虑特殊的环境载荷.浮冰载荷是极区/寒区海洋能源开发装备结构设计的重要载荷之一.针对海面浮冰的非线性动力响应问题,中国科学院力学研究所的孟洋涵和王展考虑非线性、惯性和阻尼的影响,建立了浮冰三阶截断模型.基于该模型,探究了匀速局域化载荷作用下的浮冰非线性动力学响应,并将时间依赖解与实验测量数据进行比较,结果表明数值计算结果与实验记录吻合良好.

海洋风电是我国实现“双碳”目标的重要新能源形式.随着风机叶片逐渐向大型化发展,风机在海洋环境中的力学响应问题也愈发受到关注.本专题针对海上风机的结构力学响应特性组织了两篇研究论文.上海交通大学的万德成等针对真实复杂大气入流下海上风机的力学响应特性开展研究.基于大涡模拟的域前仿真方法生成复杂大气入流,同时采用致动线模型模拟风机叶片,对中性复杂大气入流下海上固定式风机进行数值模拟,并与均匀入流计算工况进行对比,发现两种情况下的风机气动功率统计参量有显著区别.

我国是台风多发国家,台风对海上风机的影响研究对海洋风电能源的开发具有重要意义.大连理工大学的施伟等针对台风风场作用下风浪联合载荷对大型单桩海上风机的影响进行了研究.针对DTU 10MW 大型单桩风机,运用一体化分析软件SIMA 建立风浪联合作用下大型单桩风机的耦合数值模型,研究台风经过的不同阶段大型风力机的动力响应特性.

与上述水面装备相同,水下装备的研究同样蕴含丰富的力学问题.内孤立波是一种发生在水面以下世界各海域广泛存在的大幅波浪,其剧烈的波面起伏所携带的巨大能量对海洋结构物产生严重威胁.大连理工大学的邹丽等以海洋立管为研究对象,分析了内孤立波传播演化过程的流场特征及立管在内孤立波作用下的动力响应规律,并进一步讨论了内孤立波参数、顶张力大小以及内部流体密度对立管动力响应的影响.

此外,在海流作用下,海洋立管后缘将产生交替泄放的漩涡,诱发立管振动,即“涡激振动”.涡激振动是造成海洋立管疲劳损伤的重要因素.为抑制涡激振动对海洋立管的结构损伤,保障结构安全.天津大学的徐万海等区别于传统涡激振动抑制方法,从结构层面考虑开展了海洋立管涡激振动的抑制研究.通过局部增大能量耗散区的阻尼,增加振动能量在传播过程中的消耗,实现了海洋立管涡激振动抑制.

海洋柔性管道、电缆等大细长比结构在海洋能源开发中除上述的疲劳失效问题,一些新的应用形式也带来特殊的力学问题.电缆沿桥跨海铺设是海缆铺设的一种新形式.针对交通荷载诱发的沿跨海桥梁敷设电缆的随机振动问题,中国电力科学研究院的张振鹏等建立了桥梁-电缆的整体组合结构分析模型,将交通荷载简化为移动的随机集中荷载序列,发展虚拟激励法用于分析移动随机荷载作用下电缆结构的位移和应力响应的标准差及演变功率谱,并研究了汽车和列车运行速度对电缆动力响应标准差的影响规律.

海洋能源开发装备中锚索被广泛应用于装备的系泊、锚固.索力是锚索的重要物理量,索力的精确识别对锚索的健康监测具有重要意义.西北工业大学的韩飞和段尊义针对锚索服役状态下索力精确识别方法开展研究.针对水下锚索的几何非线性及阻尼非线性特点,利用等效线性化技术,推导了锚索自由振动频率和响应的摄动解,给出了考虑锚索垂度的频率解析表达式;在此基础上给出了基于振动法的索力识别方案.相关理论和结论能够为此类工程结构的动力分析和健康监测提供理论依据.

此外,力学领域最新发展的非线性结构优化方法也被用于海洋装备的设计中.防弯器是海洋柔性管道/电缆的过弯保护类附属构件,对提高管道/电缆的结构安全性具有重要意义.目前的防弯器设计多采用尺寸优化方法,设计空间有限.哈尔滨工程大学的杨志勋等在Dirichlet 边界条件下,以最大化弯曲刚度为目标,对同时考虑材料和几何非线性的防弯器结构拓扑优化方法进行研究.在材料体分比相同的情况下,对防弯器结构进行了非线性拓扑优化并得到创新构型.所建立的非线性拓扑优化技术,为高性能防弯器结构设计提供了理论模型和实现技术.

海洋开发装备往往需要经历跨介质的特殊力学行为,如入水航行体在跨介质运动的过程中由于承受巨大的冲击载荷而极易发生结构失效.如何缓冲降载是现阶段研究的难题.西北工业大学的潘光等设计了一种航行体高速入水梯度密度式缓冲头帽.基于ALE 算法建立了航行体带缓冲头帽高速入水数值计算模型,开展了高速入水降载特性的数值研究,探究了双层缓冲件不同参数对缓冲头帽能量吸收以及缓冲降载效果的影响规律,并进行了冲击测试试验.研究工作可为海洋能源开发中水下机器人、水下航行器等辅助设备在结构设计、数值分析和试验测试中的关键力学问题研究提供指导.

综上所述,海洋能源开发装备由于其特殊的应用环境,导致其力学分析、结构失效等关键力学问题表现得尤为突出,成为装备绿色、智能、自主、可控研发的关键瓶颈,急需我国力学科研工作者持续投入并开展创新性的基础理论研究与关键技术突破.特此感谢《力学学报》编辑部对海洋能源开发装备中关键力学问题的关注以及对本专题的支持! 也特别感谢所有论文作者以及审稿专家对本专题出版的重要贡献和大力支持!