海洋結構物跨尺度水彈塑性相互作用及其分析方法*

方 輝, 李愛軍, 金子健, 劉 勇

(中國海洋大學工程學院, 山東 青島 266100)

重大裝備與基礎設施在復雜惡劣的海洋環境中長期服役,結構物損傷累積與性能劣化不可避免,裝備與設施承受服役載荷能力下降,甚至引發災難性事故。特別令人關注的是,多次重大事故都源于結構細節的微小損傷,典型案例如導致 “亞歷山大·基蘭”號海洋平臺災難性傾覆,造成嚴重的人員傷亡、經濟損失和環境災害。開發與保護海洋資源,建設海洋強國,對海上重大工程建設提出了新的迫切需求:一方面,氣候變化導致臺風、巨浪和風暴潮等頻發,破壞力驚人,傳統結構物難以長期抵御復雜嚴酷的海洋環境載荷;另一方面,由于新型結構物整體尺寸龐大、構件局部構造各異、材料微觀組織復雜,使海洋環境下結構-構件-材料跨越多個尺度相互作用所產生的耦合效應更加顯著[1-3]。

不同尺度力學過程總存在相互作用或影響,流體、結構、構件、材料分別在水動力學、結構(動)力學、材料力學、固體力學領域發展了適用方法,然而不同尺度基礎概念、數學形式、計算方法都存在較大差異。常用傳統分析方法中:為描述尺度間的流體-結構相互作用,而產生多種流固耦合方法,但難以耦合精細構件與復雜材料特性;利用廣義變分原理可以融合材料、構件、結構的理論與方法,當模型直接包含流體作用下結構至材料全部特性,其表征最小細節取決于基本單元的尺度,即使僅反映材料基本成分(特征尺度約10-3m),也達到結構尺度(102m)十萬分之一,但是計算單元極多并含奇異性,隱式法收斂難,顯式法效率低,因此往往采用“逐級分解”分析模式(水動力方法應用于最上層結構簡化模型獲得流體載荷,再施加于結構模型得內力分布,所得內力再作為外力施加于下一層細節模型,得到應力應變對照屈服、斷裂和穩定性等條件進行設計校核),但是結構出現塑性后各尺度特性都隨載荷歷史非線性變化,需迭代計算再傳遞載荷,不同尺度之間極易出現關鍵變量不連續,計算誤差更是難以避免,各類問題相互放大,達到一定程度后將導致認知錯誤。傳統分析都是在單一尺度建立力學模型再實施計算,極大弱化乃至消除各尺度內在力學過程的相互作用,機理誤差和繁雜迭代已成為海洋結構物準確高效設計的瓶頸問題,只能通過增大設計余量或降低性能指標以增加安全性。

海洋強國戰略下,新能源、新設施、新裝備等海上工程快速發展使結構物多尺度耦合更加突顯,傳統方法嚴重滯后工程需求,因而難以有效實施結構綜合設計優化;如何在結構物分析中構建多個尺度基本理論耦合關系,同時在多個尺度并發同步高效率計算,就成為海上工程建設發展的關鍵問題。本文針對新型海洋結構物的跨尺度水彈塑性相互作用及其分析方法進行回顧和展望,以期為海洋結構物的優化設計研究與工程實踐提供重要參考。

1 跨尺度相互作用及其分析方法

考慮基本力學原理[4-6],海洋流體與結構通過流固界面相互作用,宏觀結構(特征尺度達102m)的承載性能由整體關鍵特征(幾何、連接和邊界等)與構件力學特性決定,構件的力學特性由其邊界、幾何(特征尺度約10-1m)與材料特性決定,材料特性則取決于其組份、構造、缺陷等微觀結構(特征尺度可至10-6m)在應力應變場中的相互作用[7-8],而應力應變則是材料微元在結構體系下對海洋環境載荷的響應。宏觀結構的破壞可以歸納為源于局部材料損傷與失效導致的非線性彈塑性及非平衡態崩潰過程,材料的損傷與失效取決于微觀缺陷與組份在應力應變場作用下的演化,構件甚至整個結構會隨著材料的損傷而逐漸弱化、響應增大、損傷加速[9-10]。由此可見,工程需求是從最高的結構層面提出的,工程設計上需要向下全面分析構件和材料特性,而且失效起源于材料微結構,演化涉及所有尺度且所有尺度間相互作用,因此海洋流體作用下宏觀結構-細觀構件-微觀材料的多尺度相互作用并耦合演化。大型海洋結構物的傳統工程設計與分析[11-14],通常是根據規范,通過經驗公式估算水動力載荷,再分析校核結構的剛度和強度,由此確定建造材料性能并給出設計值,即“逐級分解”單一尺度分析,但是結構出現塑性后各尺度特性都隨載荷歷史非線性變化,傳統單一尺度方法必須迭代計算再傳遞載荷,不同尺度間極易出現變形不連續,計算誤差更是難以避免,各類問題相互影響,從而導致問題放大,達到一定程度后將導致認知錯誤,且綜合設計優化需考慮結構、構件和材料不同組合,單一尺度方法采用海量試算也只能獲得臨近尺度之間影響,因此效率低、效果差。

同時,重大裝備與工程的設計目標不斷創新,特別要求增強結構性能同時提升安全保障,這就需要降低自重的同時提高剛度、強度、阻尼,以增加承載的同時抑制響應。由于鋼材與鋼混等傳統材料的比剛度和比強度較低且阻尼很低,對于結構創新設計的限制十分顯著,因此,新型裝備與工程研發已更多采用先進的新型復合材料。例如,具有優異的力學性能和耐久性的超高性能混凝土、具有更好的力學性能和加工性的顆粒增強高性能聚合物,在新型海洋結構物中獲得重要應用并產生顯著的經濟社會效益。傳統上由新材料出發的結構創新設計需要大量試驗來確定材料特性對結構設計的影響機制[15-16],從而使設計、工程與時間三方面成本已成為制約新型海洋結構物發展的重要問題。此外,新型海洋工程材料在不同尺度之間的異質性更加明顯,材料(特別是復合材料)組份、配比、體積分數等關鍵參數的分析難度更大,并且材料密度、彈性、強度和阻尼等本征特性因其微觀結構變化而相互影響。但是,傳統單一尺度計算中多以力學測試所得標準材料參數為依據,難以充分發揮材料的可設計性,特別是大型海洋結構物的設計分析中,結構特征尺度可達數百米甚至上千米,分層或分級構件和復合材料的微觀組分的特征尺度為米～分米級和毫米以下級,如圖1所示。不同幾何尺度的水動力特性、結構力學性能和材料組分特征的分析以及后續結構性能的優化,包含了跨越多個尺度的復雜力學過程,傳統單一尺度方法難以有效揭示微觀材料、細觀構件、宏觀結構及海洋流體的物理耦合關系,無法實現結構物從結構尺寸到材料組分的全面優化設計,重大工程急需創新跨尺度耦合分析方法支撐新型海洋結構物設計中創新復合材料的分析與應用。

圖1 大型海洋結構物的跨尺度問題示意圖

為解決以上問題,學者們致力于在水動力學、結構(動)力學、材料力學和固體力學等領域發展適用方法,然而不同尺度下各領域的基本概念、數學描述和計算方法等都存在較大差異:水動力學分析結構的整體受力與運動[17];結構(動)力學求解自由度響應[18];材料力學得到內力及應力應變[19];固體力學以無量綱微元通過應力應變關系表征材料的本征特性[6]。傳統的流固耦合方法結合廣義變分原理可以形成耦合流體作用的有限元模型,如果模型直接包含流體、結構、構件和材料的全部特性,則模型的單元數量巨大并包含奇異性,計算收斂難、效率低;如果采用“逐級分解”分析,則結構出現塑性后各尺度特性都隨載荷歷史非線性變化,需迭代計算再傳遞載荷,極易出現關鍵變量不連續,計算誤差更是難以避免。為了提高計算效率和精度,研究者發展了結構計算的一致跨尺度分析法[20],將宏觀尺度下結構的大部分區域簡化為等效的梁、板、殼等單元,在模型的局部構件處采用實體單元描述細節,該類方法有效表征應力熱點的材料特征,同時顯著提高計算效率,但是未實現細觀尺度材料組分與宏觀尺度構件乃至結構的耦合計算。為了實現構件與結構耦合,在傳統結構自由度耦合原理的基礎上,Fang等[21]發展了復雜結構的子結構體元法,并提出虛力模型方法,解決了子結構邊界的奇異約束,實現整體結構與特殊構件的雙向耦合計算,該子結構體元法為后續多級材料、構件與結構三者間耦合計算提供了一種參考路徑。代表性體積元(RVE)方法提供了一種耦合材料細觀組分與宏觀力學性能的有效均勻化方法。Jin等[2]基于代表性體積元(RVE)方法以及構件-結構耦合計算方法,采用不同尺度模型間的二次橋接技術,明確了大型海洋結構的跨尺度物理耦合機制,發展了相應的計算分析方法,實現了宏細觀耦合的等效彈塑性判斷以及損傷演化的時域計算,進而實現海洋結構物安全設計的綜合優化。該方法的應用對象為碼頭基礎設施、島礁涉水工程以及海上風電基礎等高剛度固定結構,單獨計算結構物承受的流體載荷,再通過結構至材料跨尺度耦合分析方法進行了一體化設計。

2 流固耦合與水彈塑性跨尺度分析方法

流固耦合作用是海洋結構物設計中需要考慮的重要問題。就大型船舶、浮式橋梁和浮式機場等海洋大型浮式結構而言[22-29],其水平尺度遠大于其垂向高度,無法忽略其在外荷載作用下的彈性變形。流體與大型浮式結構的相互作用是非常復雜的流固耦合問題,結構的存在會改變流場,同時流場的變化會使結構產生彈性變形,通常將這類耦合過程稱為水彈性問題。以往許多學者針對大型海洋結構物的水彈性響應開展了大量的研究工作[30-42]。早期的研究通常將結構簡化為二維彈性梁或三維彈性板,利用水彈性理論研究其動力響應,水彈性分析主要有直接計算和模態展開兩種方法。直接計算法是對流場分析得到結構流體力后,利用有限元方法(FEM)計算結構的變形和內力,例如:Hamamoto等[43]建立了大型浮式結構的三維FEM-BEM(邊界元方法)耦合模型,將浮式結構簡化為Mindlin厚板,板內使用八節點六面體等參單元,固液交界面使用精度相對較高的八節點二次單元;Wang等[44]建立了強耦合形式的高階FEM-BEM 模型,模型中對FEM 模型和BEM 模型中的節點個數和形函數構造進行了統一,避免了因BEM 模型階數低于FEM模型而導致的短波作用下計算精度較低的問題。模態展開法首先將彈性結構的變形表示為多個振動模態疊加的形式,之后計算各階模態下結構的變形和流體力,最后將各階模態的計算結果線性加權疊加,得到結構的總體變形和受力[45]。Lu等[46]針對大型集裝箱船的水彈性問題,分析了結構的各階固有頻率和相應振動模態特征。Wang等[47]建立了規則波作用下大型船舶垂向彈性響應的數值計算方法,并進行了試驗結果的驗證。

隨著海洋工程向深遠海發展,環境載荷愈加復雜嚴酷,極端情況下的海洋環境載荷有可能導致結構發生超過材料屈服應力的大變形,造成較大的塑性變形和永久性的累積損傷。對于工程安全設計與綜合優化,需要深入了解結構彈性、塑性、損傷至破壞的演化過程,這也是確定新型海洋結構物設計標準和規程的重要依據。針對結構局部進入塑性后整體響應的分析,學者們已開展了相關工作[48-49],已有研究通過將局部塑性區等效為一定剛度的節點,推導了流固耦合界面動力學方程,并進行了試驗驗證。工程中,結構的局部應力超過彈性極限后,其塑性與損傷成為一個逐漸演化的過程,結構塑性損傷區域有可能擴大,甚至在彈性區域內持續萌生,隨著損傷不斷累積至臨界點,最終在某次載荷下導致整體失效。在流體與彈塑性結構耦合分析中,如果只是將結構塑性區簡化為一定剛度的節點,未表征彈塑性損傷的非線性演化過程,則無法準確描述流場與塑性損傷之間的耦合作用,也就難以有效滿足新型海洋結構物的設計需求。

前述流固耦合解析方法可以獲得結構宏觀動態響應的基本規律,但是工程設計需要發展精細高效的數值計算方法。海洋結構數值模擬研究涉及流體力學模擬分析、計算固體力學(CSM)和流固耦合計算方法[50-55],采用流體力學模擬和CSM分區域法可計算流體和固體區域,通過匹配邊界條件以實現耦合。分區雙向耦合傳遞的受力和變形信息具有明確的物理意義,可以分析海洋流場與結構變形耦合的非線性細節。傳統的水動力-結構響應分析方法[56-57]主要關注結構的宏觀物理響應(位移、變形、波浪力等),不能直接反映結構局部空間內力-變形演化和彈塑性響應。Hirdaris等[58]指出結構彈塑性分析是海洋工程結構研究及設計發展的重要組成,工程師需要能夠分析結構的非線性動力響應、損傷演化和斷裂擴展等問題的技術手段。Iijima等[59]基于Rankine源法和有限元法分別對超大型浮體(VLFS)的動力響應進行模擬,分析了考慮大載荷作用下結構塑性變形的破壞特征,從而發現塑性變形是在彎矩超過臨界值后的短時間內形成的,其增加速率會隨著彎矩的增大趨于減小。Iijima等[60]基于BEM與FEM耦合方法模擬了VLFS的塑性變形過程,分析了極限彎矩沿著結構物傳遞后的結構塑性變形和殘余變形二者的增加速率。Yu等[61]提出了單向加固面板的動水壓力和塑性特征耦合解析模型,討論了流體-結構非線性響應的無量綱控制參數,并給出了梁和加固面板的設計曲線。

為確保海洋結構物的性能與安全,需要明確海洋環境載荷下結構整體承載、構件局部塑性與材料微觀損傷三者間的耦合演化過程,闡明結構承載極限的形成機制,整體上形成流體-結構-構件-材料跨尺度耦合的水彈塑性理論與分析方法,為結構的安全設計與綜合優化提供有效的基礎理論與技術方法。最近,Fang等[1]發展了大型海洋結構物的跨尺度水彈性分析模式:針對材料至構件層級,構建了三軸復雜應力場下顆粒與纖維增強輕質材料微細觀多級代表體元模型;針對結構層級,采用異質截面應變連續和內力平衡條件推導了截面內力分布模式,建立了復合結構的高階動力學模型,并將該模型作為流固耦合界面建立了波浪作用下超大型復合浮體水彈性響應分析的勢流方法,分析了波浪參數、結構宏觀尺寸、構件細觀特性、材料微觀組份與結構響應、構件內力、材料應力的跨尺度耦合關系,提出了相應的結構設計分析方法。Jin等[62]以Fang等[1]提出的跨尺度水彈性分析模式為基礎,通過內力平衡的彎矩梯度模型,建立了細觀構件材料應變與波浪作用直接耦合的解析模型,提出了超大型浮體跨尺度耦合水彈塑性分析方法,該方法能夠描述塑性區域大小和位置與波浪參數和相位的關聯關系,即塑性形態模式(見圖2),以此為基礎,可以直接通過優化材料組份配比、構件具體尺寸、結構復合特征來消除結構的塑性區域。延續以上思路,Li等[3]提供了一種包含初始結構材料設計、等效水彈性分析和結構塑性分析的浮體結構設計分析方法,采用邊界元方法計算浮體水彈性響應,并針對響應最大值分析結構的彈塑性響應特征。

(①:第一層 The first layer;②:第二層 The second layer;P:層間作用力 Interaction forces between the layers;M:總彎矩 Total bending moment;M1:第一層所受彎矩 Bending moment at the first layer;M2:第二層所受彎矩 Bending moment at the second layer;M12:層間作用力所產生彎矩 Bending moments from the interaction forces;E1:第一層彈性模量 Elastic modulus of the first layer;E2:第二層彈性模量 Elastic modulus of the second layer;t1:第一層厚度 The first layer thickness;t2:第二層厚度 The second layer thickness;:幅值最大應變 Strain with maximum amplitude;:幅值最小應變 Strain with minimum amplitude;:層間界面應變 Interface strain。)

3 代表體元分析

重大裝備與工程要求的不斷提高,促使結構設計目標不斷提升,特別要求增強結構性能同時提升安全保障,即增加結構承載且抑制響應,就需要同時實現提高比剛度、提高比強度并加大阻尼,由于鋼材、混凝土和鋼混等傳統材料的比剛度和比強度均較低且阻尼極低,對結構創新設計的限制十分顯著,此時,復合材料的應用逐漸成為推動新型海洋結構物研發的核心要素之一。各類材料在宏觀上表現的力學特性主要取決于微觀尺度的材料構造和特征,因此在實際工程中需要從微觀特性入手來改善材料的宏觀性能,即從微觀尺度層面上串聯材料配比與細觀構件乃至宏觀結構的力學性能關系,從而達到需要的工程效果。實現以上目標的關鍵在于將微觀特征與宏觀特性相關聯,由此學者們開展了大量研究工作,提出了多種均質化理論及解析計算方法(如有效介質理論、Voigt-Reuss-Hill準則以及Mori-Tanaka方法),用于建立材料宏微觀之間的耦合關系式[63-67]。理論解析計算在不同尺度之間所建立的耦合橋接關系存在一定的局限性,例如:計算失真度高、耦合比小、假設過多等。隨著計算機技術的進步,一些學者通過建立材料微觀數值模型,利用數值仿真實現了宏觀力學性能與微觀組分之間的耦合,計算精度與有效性相比于理論解析具有明顯優勢[68-71]。

隨著機理認識與計算技術的進步,代表體元法(RVE)逐漸成為實現材料微觀特征與宏觀特性關聯建模與分析的一類重要方法。該類方法的提出基于材料細觀結構具有統計學周期性的假設,即通過隔離出代表性體積單元(RVE)將整個材料體視為由RVE周期性排列構成[72-74]。當受到遠場外載荷作用時,所有RVE單胞的力學行為具有一致性,它們表現出相似的應力應變場,從而可以采用單個RVE模型的應力應變場反映材料的宏觀等效應力應變場[7]。不同夾雜物與組分比例的材料宏觀力學性能存在明顯差異[75-77],而且材料在宏觀尺度上表現出均勻性,但是當尺度變小時,材料會表現出明顯的異質性[78]。RVE方法將材料在微觀尺度下進行分解,通過計算微元特性,實現宏微觀物理耦合關系[1-2]。如圖3所示,Sun等[79]應用組分隨機分布的代表性體積單元計算了顆粒增強材料的彈性模量和泊松比,比理論解析計算結果更接近試驗結果。Su等[80]建立了由鋼纖維和混凝土基體組成的二相RVE模型,模擬摻入鋼纖維的超高性能混凝土材料,研究了纖維與基體之間的粘結-滑移特征。Borges等[81]建立了雙尺度模型來研究混凝土結構加載過程中的力學現象,研究了混凝土梁與混凝土視為三相特征(基體、骨料和兩者的界面過渡區(ITZ))的關聯關系。Abbes等[82]建立了混凝土結構的彈塑性響應同基體、骨料和孔隙組成的關聯關系。如圖4所示,Fang等[1]基于RVE均質化數值分析方法,分層級求解了超高性能混凝土(UHPC)細觀組分、孔洞胞元、晶格體元與宏觀性能參數(彈性模量、密度)之間的物理耦合關系,通過將參數化公式引入到水彈性模型中,實現了材料-結構的水彈性跨尺度耦合分析。RVE方法揭示了材料微細觀組分特征和宏觀構件乃至結構力學性能之間的關系,可以根據結構的承載性能并通過耦合計算確定適合不同工程問題的材料微觀特征,尤其有利于海洋工程新型材料(例如:超高性能混凝土)的開發與應用。不過,在目前所提出的RVE建模方法中,通常將基體與夾雜物視為彈塑性材料,從而忽略了復雜環境載荷作用下材料至結構的非穩態演化,也就無法獲得結構非線性演化與海洋流場的耦合關系。

圖3 顆粒增強復合材料代表性體元模型[79]

圖4 不同層級代表性體積元模型[1]

4 結構物性能提升的跨尺度優化方法

海洋結構物的結構性能提升與材料性能優化一體發展是工程研發的重要趨勢之一。超高性能復合材料由本質基材、增強顆粒物和增強纖維體構成,具有超高強度、高韌性、高耐久性以及優良耐腐蝕性的特點,使用超高性能復合材料制成的構件具有很高的承載性能、結構延性以及耗能性能,進而可以滿足特殊工藝下的高比剛度結構生產。對于海洋環境下結構物的主要承載構件,普通復合材料孔隙較大,容易造成內部構造的嚴重腐蝕,整體承載性能在結構老化后明顯下降。而超高性能復合材料表面密實,能有效防止海洋腐蝕介質侵蝕內部,從而顯著提高結構的耐久性[83-84]。另外,復合構件可以充分利用各類材料性能與構件幾何特性,也成為結構綜合設計優化的關鍵技術[1]。在利用超高性能復合材料與復合構件進行大型海洋結構物的設計與分析時,必須考慮到整體結構是大規模的,因此除了利用RVE方法進行材料宏細觀性能優化外,還需要同時考慮宏觀層面上存在的關鍵局部構件同整體結構之間的耦合作用。

在理論研究方面,Chuang等[85]建立了層合梁的彈性撓曲動力學模型,并基于構件間界面處的變形協調方程與受力平衡方程,提出了層合結構中層間耦合作用的基本假定。Fang等[21]基于異質材料變形協調條件的虛應變等效法,進一步提出了多種材料組成的多層復合構件均勻化等效動力學模型。上述方法為海洋結構物由局部構件到整體結構層級的耦合提供了理論依據。同時,數值模擬逐步成為研究構件-結構跨尺度耦合問題的重要解決手段。海洋工程中,結構物的尺寸數量級往往為幾十米、上百米甚至上千米,結構損傷則發生在關鍵局部構件部位,損傷的范圍較小且分散。在計算過程中,尤其是數值模擬中整體結構的精細化建模較為繁瑣,構件之間的連接又存在多種方式,不同關鍵局部構件相應尺寸參數之間的差異容易導致整體建模與分析過程出現界面奇異性。總之,海洋結構物整體模型尺寸龐大,完全精細化建模分析的計算成本高、耗時長、精度與收斂性難以控制。如果采用整體結構簡化建模,計算時間會有效縮短且建模較為簡單,但是計算精度較低,且無法明確結構彈塑性變形至損傷及破壞的機制,特別是對于采用新型材料的新型結構,難以建立設計必需的標準與規程。一般情況下,由于外荷載作用下的結構破壞部位比較集中,一些學者引入跨尺度數值建模的概念,對宏觀尺度上的整體結構和局部構件通過界面模型耦合,研究局部區域的破壞機理以及整體結構的承載演化[2,86]。Li等[86]通過分析界面耦合約束作用,建立了大跨度橋梁局部構件損傷-整體結構響應的跨尺度數值模型(見圖5),同時分析了焊接構件的局部細觀劣化以及局部劣化對橋梁整體結構的影響。Jin等[2]以開孔沉箱為研究對象,基于RVE數值方法,分析了超高性能混凝土(UHPC)纖維體積分數與結構整體承載極限的關聯關系,并建立了UHPC組份-開孔前墻-沉箱整體跨尺度數值模型,實現了開孔沉箱的跨尺度耦合優化(見圖6)。

((a) 結構全尺度模型 Full-scale structure model; (b) 局部構件模型 Local member model.)

圖6 開孔沉箱承載性能的跨尺度優化分析[2]

5 結語

海洋工程結構設計中,工程需求是從宏觀結構層面上提出的,海洋環境作用下結構、構件、材料互相影響,失效源于材料微缺陷與所有尺度耦合的演化,即海洋環境流體-結構宏觀響應-構件細觀特性-材料微觀特征的跨尺度耦合作用及演化,決定了結構承載、退化、破壞的綜合性能。傳統方法的特點是單一尺度獨立分析、單向傳遞載荷信息,使得各尺度內在力學過程的相互作用弱化乃至消除,因此需要通過增大設計余量、降低性能指標以增加安全性,導致成本顯著上升,但是結構損傷、破壞和倒塌等問題仍時有發生。在海洋結構物性能分析中,跨越了多個尺度闡明關鍵耦合機制并建立高效率同步計算模式,明確了海洋環境載荷下結構彈塑性從損傷至破壞的演化過程,形成了海洋結構物跨尺度耦合分析模擬方法,因此針對不同類型結構建立綜合設計優化標準與規程,已成為工程發展中面臨的關鍵科學問題與技術難題。

通過開展海洋結構物的跨尺度耦合分析。一方面提供海洋環境載荷下結構劣化分析的基本原理與方法,防止重大結構失效所引發的損傷和災難,同時為結構運維的損傷監測與修復提供理論和技術支持。另一方面,可以為海洋工程結構設計基礎理論和工程技術的發展提供新思路,即充分考慮流體、結構、構件和材料間跨越多個尺度相互影響和共同作用的關聯特性,將海洋結構物性能分析由單一尺度計算、單向傳遞載荷提升至跨尺度耦合演化、雙向傳遞載荷。

目前,材料層面多個尺度耦合研究已經發展到“材料基因組”工程,結構層面多個尺度耦合研究也取得了快速進展與廣泛應用。海洋環境下結構-構件-材料的耦合分析跨越了多個尺度,因此不僅需要流體力學、結構力學、固體力學乃至材料學科的交叉融合,而且需要結合實際工程需求,推動跨尺度耦合分析方法的發展。針對流體與海洋結構物相互作用,水彈性研究已經具備了成熟的線性解析方法,然而實際中絕大多數的流固耦合作用為非線性問題,并包含流體、結構、構件、材料不同層次的關鍵要素,因此有必要發展非線性解析理論,同時提高數值方法效率。當前,極端海況下海洋結構物非線性大變形響應與材料彈塑性損傷相互作用的數值模擬技術是前沿性關鍵問題之一,今后的研究中若要進一步攻克該問題,必須全面闡明海洋環境載荷作用下微觀材料、細觀構件和宏觀結構等物理性能的非線性演化特征與相互作用機制,創新力學模型與數值方法實現指向性定量分析,構建新型海洋結構物的跨尺度水彈塑性理論體系,為重大裝備與工程研發奠定理論基礎。