海洋能源開發裝備中關鍵力學問題專題序

閻軍

(大連理工大學工程力學系,工業裝備結構分析國家重點實驗室,遼寧大連 116024)

(大連理工大學寧波研究院,浙江寧波 315016)

海洋中石油、天然氣及風能、潮汐能等能源儲量豐富,海洋能源的開發是當今世界各國競相開發的關鍵領域.海洋能源的開發離不開一系列先進的工業裝備,經過長期持續不懈的研發,我國已經基本具備了海洋能源開發裝備設計、生產、測試和應用的關鍵技術.同時,由于研發起步相對較晚,部分技術仍未能實現完全自主可控,其中蘊含了豐富的關鍵力學問題的挑戰.隨著海洋強國戰略的實施,我國的科研院所、高等學校和相關企業積極開展了海洋能源開發裝備中關鍵力學問題的研究.部分工作已經取得了豐碩的成果,實現了技術突破,為我國海洋能源開發裝備的自主可控研發與創新奠定了扎實的力學基礎.

海洋能源開發裝備主要包括海面裝備(海洋平臺、大型浮體、高技術船舶、浮式風機等)、海底裝備(水下采油樹、水下管匯、水下機器人等)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).海洋能源開發裝備長期服役于復雜的海洋環境中,承受著苛刻的環境荷載、功能荷載以及意外荷載的作用.在上述荷載的作用下,海洋能源開發裝備易發生包含多種力學行為的復雜失效形式,導致開發系統無法運行,甚至造成嚴重的海洋生態災害或巨大的經濟損失.為保證海洋能源開發裝備的長期可靠運行,需要針對其設計、制造、測試及應用中的關鍵力學問題進行深入系統的研究.

基于上述介紹,《力學學報》組織了“海洋能源開發裝備中關鍵力學問題研究”專題,包括1 篇綜述和9 篇研究論文,旨在展現我國海工企業、涉海科研院所和高等院校等在海洋能源開發裝備領域的最新研究成果,以促進學術交流,供同行學者和技術人員參考.

首先,在海洋能源開發裝備中,連接裝備需要承受海洋環境中惡劣的波浪、海流、深水高壓、介質溫度以及長距離傳輸引起的自重等荷載,極易發生結構失效.因此針對此類裝備力學問題的研究一直是海洋能源開發領域研究的熱點.其中連接于海面和海底裝備之間的海洋電纜是能源傳輸、生產控制的關鍵裝備,被譽為海洋能源開發的“神經線”.本專題組織了一篇海洋電纜中關鍵力學問題的綜述,由大連理工大學海洋裝備強度分析與創新設計團隊完成.圍繞海洋電纜多構件、多層螺旋纏繞的結構特點,全面總結了海洋電纜結構設計、分析及測試領域關鍵力學問題的研究進展,揭示了該領域的主要研究方法和關鍵技術難點,并展望了未來發展的主要技術需求和熱點方向.

海洋能源開發裝備在設計分析時往往需要考慮特殊的環境載荷.浮冰載荷是極區/寒區海洋能源開發裝備結構設計的重要載荷之一.針對海面浮冰的非線性動力響應問題,中國科學院力學研究所的孟洋涵和王展考慮非線性、慣性和阻尼的影響,建立了浮冰三階截斷模型.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響應,并將時間依賴解與實驗測量數據進行比較,結果表明數值計算結果與實驗記錄吻合良好.

海洋風電是我國實現“雙碳”目標的重要新能源形式.隨著風機葉片逐漸向大型化發展,風機在海洋環境中的力學響應問題也愈發受到關注.本專題針對海上風機的結構力學響應特性組織了兩篇研究論文.上海交通大學的萬德成等針對真實復雜大氣入流下海上風機的力學響應特性開展研究.基于大渦模擬的域前仿真方法生成復雜大氣入流,同時采用致動線模型模擬風機葉片,對中性復雜大氣入流下海上固定式風機進行數值模擬,并與均勻入流計算工況進行對比,發現兩種情況下的風機氣動功率統計參量有顯著區別.

我國是臺風多發國家,臺風對海上風機的影響研究對海洋風電能源的開發具有重要意義.大連理工大學的施偉等針對臺風風場作用下風浪聯合載荷對大型單樁海上風機的影響進行了研究.針對DTU 10MW 大型單樁風機,運用一體化分析軟件SIMA 建立風浪聯合作用下大型單樁風機的耦合數值模型,研究臺風經過的不同階段大型風力機的動力響應特性.

與上述水面裝備相同,水下裝備的研究同樣蘊含豐富的力學問題.內孤立波是一種發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構物產生嚴重威脅.大連理工大學的鄒麗等以海洋立管為研究對象,分析了內孤立波傳播演化過程的流場特征及立管在內孤立波作用下的動力響應規律,并進一步討論了內孤立波參數、頂張力大小以及內部流體密度對立管動力響應的影響.

此外,在海流作用下,海洋立管后緣將產生交替泄放的漩渦,誘發立管振動,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構損傷,保障結構安全.天津大學的徐萬海等區別于傳統渦激振動抑制方法,從結構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的阻尼,增加振動能量在傳播過程中的消耗,實現了海洋立管渦激振動抑制.

海洋柔性管道、電纜等大細長比結構在海洋能源開發中除上述的疲勞失效問題,一些新的應用形式也帶來特殊的力學問題.電纜沿橋跨海鋪設是海纜鋪設的一種新形式.針對交通荷載誘發的沿跨海橋梁敷設電纜的隨機振動問題,中國電力科學研究院的張振鵬等建立了橋梁-電纜的整體組合結構分析模型,將交通荷載簡化為移動的隨機集中荷載序列,發展虛擬激勵法用于分析移動隨機荷載作用下電纜結構的位移和應力響應的標準差及演變功率譜,并研究了汽車和列車運行速度對電纜動力響應標準差的影響規律.

海洋能源開發裝備中錨索被廣泛應用于裝備的系泊、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測具有重要意義.西北工業大學的韓飛和段尊義針對錨索服役狀態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,利用等效線性化技術,推導了錨索自由振動頻率和響應的攝動解,給出了考慮錨索垂度的頻率解析表達式;在此基礎上給出了基于振動法的索力識別方案.相關理論和結論能夠為此類工程結構的動力分析和健康監測提供理論依據.

此外,力學領域最新發展的非線性結構優化方法也被用于海洋裝備的設計中.防彎器是海洋柔性管道/電纜的過彎保護類附屬構件,對提高管道/電纜的結構安全性具有重要意義.目前的防彎器設計多采用尺寸優化方法,設計空間有限.哈爾濱工程大學的楊志勛等在Dirichlet 邊界條件下,以最大化彎曲剛度為目標,對同時考慮材料和幾何非線性的防彎器結構拓撲優化方法進行研究.在材料體分比相同的情況下,對防彎器結構進行了非線性拓撲優化并得到創新構型.所建立的非線性拓撲優化技術,為高性能防彎器結構設計提供了理論模型和實現技術.

海洋開發裝備往往需要經歷跨介質的特殊力學行為,如入水航行體在跨介質運動的過程中由于承受巨大的沖擊載荷而極易發生結構失效.如何緩沖降載是現階段研究的難題.西北工業大學的潘光等設計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數值計算模型,開展了高速入水降載特性的數值研究,探究了雙層緩沖件不同參數對緩沖頭帽能量吸收以及緩沖降載效果的影響規律,并進行了沖擊測試試驗.研究工作可為海洋能源開發中水下機器人、水下航行器等輔助設備在結構設計、數值分析和試驗測試中的關鍵力學問題研究提供指導.

綜上所述,海洋能源開發裝備由于其特殊的應用環境,導致其力學分析、結構失效等關鍵力學問題表現得尤為突出,成為裝備綠色、智能、自主、可控研發的關鍵瓶頸,急需我國力學科研工作者持續投入并開展創新性的基礎理論研究與關鍵技術突破.特此感謝《力學學報》編輯部對海洋能源開發裝備中關鍵力學問題的關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和大力支持!