海洋能源開發(fā)裝備中關(guān)鍵力學(xué)問題專題序

閻軍

(大連理工大學(xué)工程力學(xué)系,工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧大連 116024)

(大連理工大學(xué)寧波研究院,浙江寧波 315016)

海洋中石油、天然氣及風(fēng)能、潮汐能等能源儲量豐富,海洋能源的開發(fā)是當(dāng)今世界各國競相開發(fā)的關(guān)鍵領(lǐng)域.海洋能源的開發(fā)離不開一系列先進(jìn)的工業(yè)裝備,經(jīng)過長期持續(xù)不懈的研發(fā),我國已經(jīng)基本具備了海洋能源開發(fā)裝備設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、測試和應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù).同時(shí),由于研發(fā)起步相對較晚,部分技術(shù)仍未能實(shí)現(xiàn)完全自主可控,其中蘊(yùn)含了豐富的關(guān)鍵力學(xué)問題的挑戰(zhàn).隨著海洋強(qiáng)國戰(zhàn)略的實(shí)施,我國的科研院所、高等學(xué)校和相關(guān)企業(yè)積極開展了海洋能源開發(fā)裝備中關(guān)鍵力學(xué)問題的研究.部分工作已經(jīng)取得了豐碩的成果,實(shí)現(xiàn)了技術(shù)突破,為我國海洋能源開發(fā)裝備的自主可控研發(fā)與創(chuàng)新奠定了扎實(shí)的力學(xué)基礎(chǔ).

海洋能源開發(fā)裝備主要包括海面裝備(海洋平臺、大型浮體、高技術(shù)船舶、浮式風(fēng)機(jī)等)、海底裝備(水下采油樹、水下管匯、水下機(jī)器人等)以及水中的連接裝備(海洋立管、臍帶纜、低溫柔性管道、海底電纜、錨索等).海洋能源開發(fā)裝備長期服役于復(fù)雜的海洋環(huán)境中,承受著苛刻的環(huán)境荷載、功能荷載以及意外荷載的作用.在上述荷載的作用下,海洋能源開發(fā)裝備易發(fā)生包含多種力學(xué)行為的復(fù)雜失效形式,導(dǎo)致開發(fā)系統(tǒng)無法運(yùn)行,甚至造成嚴(yán)重的海洋生態(tài)災(zāi)害或巨大的經(jīng)濟(jì)損失.為保證海洋能源開發(fā)裝備的長期可靠運(yùn)行,需要針對其設(shè)計(jì)、制造、測試及應(yīng)用中的關(guān)鍵力學(xué)問題進(jìn)行深入系統(tǒng)的研究.

基于上述介紹,《力學(xué)學(xué)報(bào)》組織了“海洋能源開發(fā)裝備中關(guān)鍵力學(xué)問題研究”專題,包括1 篇綜述和9 篇研究論文,旨在展現(xiàn)我國海工企業(yè)、涉海科研院所和高等院校等在海洋能源開發(fā)裝備領(lǐng)域的最新研究成果,以促進(jìn)學(xué)術(shù)交流,供同行學(xué)者和技術(shù)人員參考.

首先,在海洋能源開發(fā)裝備中,連接裝備需要承受海洋環(huán)境中惡劣的波浪、海流、深水高壓、介質(zhì)溫度以及長距離傳輸引起的自重等荷載,極易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效.因此針對此類裝備力學(xué)問題的研究一直是海洋能源開發(fā)領(lǐng)域研究的熱點(diǎn).其中連接于海面和海底裝備之間的海洋電纜是能源傳輸、生產(chǎn)控制的關(guān)鍵裝備,被譽(yù)為海洋能源開發(fā)的“神經(jīng)線”.本專題組織了一篇海洋電纜中關(guān)鍵力學(xué)問題的綜述,由大連理工大學(xué)海洋裝備強(qiáng)度分析與創(chuàng)新設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)完成.圍繞海洋電纜多構(gòu)件、多層螺旋纏繞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),全面總結(jié)了海洋電纜結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分析及測試領(lǐng)域關(guān)鍵力學(xué)問題的研究進(jìn)展,揭示了該領(lǐng)域的主要研究方法和關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn),并展望了未來發(fā)展的主要技術(shù)需求和熱點(diǎn)方向.

海洋能源開發(fā)裝備在設(shè)計(jì)分析時(shí)往往需要考慮特殊的環(huán)境載荷.浮冰載荷是極區(qū)/寒區(qū)海洋能源開發(fā)裝備結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的重要載荷之一.針對海面浮冰的非線性動力響應(yīng)問題,中國科學(xué)院力學(xué)研究所的孟洋涵和王展考慮非線性、慣性和阻尼的影響,建立了浮冰三階截?cái)嗄Ｐ?基于該模型,探究了勻速局域化載荷作用下的浮冰非線性動力學(xué)響應(yīng),并將時(shí)間依賴解與實(shí)驗(yàn)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行比較,結(jié)果表明數(shù)值計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)記錄吻合良好.

海洋風(fēng)電是我國實(shí)現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的重要新能源形式.隨著風(fēng)機(jī)葉片逐漸向大型化發(fā)展,風(fēng)機(jī)在海洋環(huán)境中的力學(xué)響應(yīng)問題也愈發(fā)受到關(guān)注.本專題針對海上風(fēng)機(jī)的結(jié)構(gòu)力學(xué)響應(yīng)特性組織了兩篇研究論文.上海交通大學(xué)的萬德成等針對真實(shí)復(fù)雜大氣入流下海上風(fēng)機(jī)的力學(xué)響應(yīng)特性開展研究.基于大渦模擬的域前仿真方法生成復(fù)雜大氣入流,同時(shí)采用致動線模型模擬風(fēng)機(jī)葉片,對中性復(fù)雜大氣入流下海上固定式風(fēng)機(jī)進(jìn)行數(shù)值模擬,并與均勻入流計(jì)算工況進(jìn)行對比,發(fā)現(xiàn)兩種情況下的風(fēng)機(jī)氣動功率統(tǒng)計(jì)參量有顯著區(qū)別.

我國是臺風(fēng)多發(fā)國家,臺風(fēng)對海上風(fēng)機(jī)的影響研究對海洋風(fēng)電能源的開發(fā)具有重要意義.大連理工大學(xué)的施偉等針對臺風(fēng)風(fēng)場作用下風(fēng)浪聯(lián)合載荷對大型單樁海上風(fēng)機(jī)的影響進(jìn)行了研究.針對DTU 10MW 大型單樁風(fēng)機(jī),運(yùn)用一體化分析軟件SIMA 建立風(fēng)浪聯(lián)合作用下大型單樁風(fēng)機(jī)的耦合數(shù)值模型,研究臺風(fēng)經(jīng)過的不同階段大型風(fēng)力機(jī)的動力響應(yīng)特性.

與上述水面裝備相同,水下裝備的研究同樣蘊(yùn)含豐富的力學(xué)問題.內(nèi)孤立波是一種發(fā)生在水面以下世界各海域廣泛存在的大幅波浪,其劇烈的波面起伏所攜帶的巨大能量對海洋結(jié)構(gòu)物產(chǎn)生嚴(yán)重威脅.大連理工大學(xué)的鄒麗等以海洋立管為研究對象,分析了內(nèi)孤立波傳播演化過程的流場特征及立管在內(nèi)孤立波作用下的動力響應(yīng)規(guī)律,并進(jìn)一步討論了內(nèi)孤立波參數(shù)、頂張力大小以及內(nèi)部流體密度對立管動力響應(yīng)的影響.

此外,在海流作用下,海洋立管后緣將產(chǎn)生交替泄放的漩渦,誘發(fā)立管振動,即“渦激振動”.渦激振動是造成海洋立管疲勞損傷的重要因素.為抑制渦激振動對海洋立管的結(jié)構(gòu)損傷,保障結(jié)構(gòu)安全.天津大學(xué)的徐萬海等區(qū)別于傳統(tǒng)渦激振動抑制方法,從結(jié)構(gòu)層面考慮開展了海洋立管渦激振動的抑制研究.通過局部增大能量耗散區(qū)的阻尼,增加振動能量在傳播過程中的消耗,實(shí)現(xiàn)了海洋立管渦激振動抑制.

海洋柔性管道、電纜等大細(xì)長比結(jié)構(gòu)在海洋能源開發(fā)中除上述的疲勞失效問題,一些新的應(yīng)用形式也帶來特殊的力學(xué)問題.電纜沿橋跨海鋪設(shè)是海纜鋪設(shè)的一種新形式.針對交通荷載誘發(fā)的沿跨海橋梁敷設(shè)電纜的隨機(jī)振動問題,中國電力科學(xué)研究院的張振鵬等建立了橋梁-電纜的整體組合結(jié)構(gòu)分析模型,將交通荷載簡化為移動的隨機(jī)集中荷載序列,發(fā)展虛擬激勵法用于分析移動隨機(jī)荷載作用下電纜結(jié)構(gòu)的位移和應(yīng)力響應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)差及演變功率譜,并研究了汽車和列車運(yùn)行速度對電纜動力響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)差的影響規(guī)律.

海洋能源開發(fā)裝備中錨索被廣泛應(yīng)用于裝備的系泊、錨固.索力是錨索的重要物理量,索力的精確識別對錨索的健康監(jiān)測具有重要意義.西北工業(yè)大學(xué)的韓飛和段尊義針對錨索服役狀態(tài)下索力精確識別方法開展研究.針對水下錨索的幾何非線性及阻尼非線性特點(diǎn),利用等效線性化技術(shù),推導(dǎo)了錨索自由振動頻率和響應(yīng)的攝動解,給出了考慮錨索垂度的頻率解析表達(dá)式;在此基礎(chǔ)上給出了基于振動法的索力識別方案.相關(guān)理論和結(jié)論能夠?yàn)榇祟惞こ探Y(jié)構(gòu)的動力分析和健康監(jiān)測提供理論依據(jù).

此外,力學(xué)領(lǐng)域最新發(fā)展的非線性結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法也被用于海洋裝備的設(shè)計(jì)中.防彎器是海洋柔性管道/電纜的過彎保護(hù)類附屬構(gòu)件,對提高管道/電纜的結(jié)構(gòu)安全性具有重要意義.目前的防彎器設(shè)計(jì)多采用尺寸優(yōu)化方法,設(shè)計(jì)空間有限.哈爾濱工程大學(xué)的楊志勛等在Dirichlet 邊界條件下,以最大化彎曲剛度為目標(biāo),對同時(shí)考慮材料和幾何非線性的防彎器結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法進(jìn)行研究.在材料體分比相同的情況下,對防彎器結(jié)構(gòu)進(jìn)行了非線性拓?fù)鋬?yōu)化并得到創(chuàng)新構(gòu)型.所建立的非線性拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù),為高性能防彎器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了理論模型和實(shí)現(xiàn)技術(shù).

海洋開發(fā)裝備往往需要經(jīng)歷跨介質(zhì)的特殊力學(xué)行為,如入水航行體在跨介質(zhì)運(yùn)動的過程中由于承受巨大的沖擊載荷而極易發(fā)生結(jié)構(gòu)失效.如何緩沖降載是現(xiàn)階段研究的難題.西北工業(yè)大學(xué)的潘光等設(shè)計(jì)了一種航行體高速入水梯度密度式緩沖頭帽.基于ALE 算法建立了航行體帶緩沖頭帽高速入水?dāng)?shù)值計(jì)算模型,開展了高速入水降載特性的數(shù)值研究,探究了雙層緩沖件不同參數(shù)對緩沖頭帽能量吸收以及緩沖降載效果的影響規(guī)律,并進(jìn)行了沖擊測試試驗(yàn).研究工作可為海洋能源開發(fā)中水下機(jī)器人、水下航行器等輔助設(shè)備在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、數(shù)值分析和試驗(yàn)測試中的關(guān)鍵力學(xué)問題研究提供指導(dǎo).

綜上所述,海洋能源開發(fā)裝備由于其特殊的應(yīng)用環(huán)境,導(dǎo)致其力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)失效等關(guān)鍵力學(xué)問題表現(xiàn)得尤為突出,成為裝備綠色、智能、自主、可控研發(fā)的關(guān)鍵瓶頸,急需我國力學(xué)科研工作者持續(xù)投入并開展創(chuàng)新性的基礎(chǔ)理論研究與關(guān)鍵技術(shù)突破.特此感謝《力學(xué)學(xué)報(bào)》編輯部對海洋能源開發(fā)裝備中關(guān)鍵力學(xué)問題的關(guān)注以及對本專題的支持! 也特別感謝所有論文作者以及審稿專家對本專題出版的重要貢獻(xiàn)和大力支持!