[00119968]基于流固耦合作用的复合材料海洋立管涡激振动研究

一、课题来源 本课题来源为：山东省山东省优秀中青年科学家科研奖励基金。 二、研究目的与意义 我国海洋事业的大力发展为在海洋相关领域进行前沿性和原创性的研究提供了广阔平台,同时也提出了更高要求。以山东省为例,随着“半岛蓝色经济区”这一国家战略的不断推进,各类资源齐聚蓝区,使其拥有全国最多的海洋领域国家级工程技术研究中心并吸引了上千亿的资金投向该区。作为海洋经济的一个重要组成部分,海洋石油及天然气的开采和利用一直受到政府和企业的高度重视。 海洋立管是海洋资源开发中不可或缺的海洋结构。由于传统金属立管的较大自重,随着水深的增加,立管对顶张力的要求不断增加,也就需要更大的海洋平台或减少所连接立管的数量。因此,金属海洋立管的自重成为限制深水海洋资源开发的一个重要因素。由于纤维复合材料具有极佳的机械性能和较低密度,复合材料海洋立管将在很大程度上降低自重,并相应地减少对现有海洋平台的顶张力需求和运营成本,有利于深海石油及天然气的开发和输送。此外,纤维复合材料还具有更好的保温隔热性,耐腐蚀性和抗疲劳性,从而可以减少维护和使用成本。复合材料海洋立管的另一个优势则是可以根据特定的要求进行优化设计,提供一个合理、有效、经济的设计方案。因此,越来越多的国家、能源公司以及研究人员关注并重视复合材料海洋立管的研究和应用。 复合材料立管作为海洋立管的一种发展形式,其涡激振动及疲劳性能分析是不可忽略的一个环节,也是推进复合材料海洋立管应用于实际工程中的必要环节。然而,相对于传统金属材料立管,复合材料立管的涡机振动研究还处于起步阶段。本课题针对复合材料立管涡激振动研究方面的不足,通过理论分析、计算流体动力学（CFD） 模拟以及试验验证对其进行基于流固耦合作用的涡激振动研究,探索复合材料立管各设计参数对其涡激振动特性的影响,进而推进复合材料立管在实际工程中的应用,并为相应抑振装置的开发提供理论和技术基础。 三、主要代表性工作 （1）基于局部与整体荷载组合的纤维复合材料海洋立管参数设计,提出了不同的优化设计方案; （2）纤维复合材料海洋立管涡激振动的CFD模拟,对比不同设计参数的复合材料海洋立管的涡激振动特征; （3）纤维复合材料海洋立管涡激振动的模型试验,验证CFD数值模拟结果的正确性。 基于以上研究内容,发表相关科研论文14篇,其中SCI、EI检索10篇。指导研究生3名,本科生1名。 四、创建与创新 （1）获取复合材料海洋立管基于流固耦合作用的涡激振动规律。对复合材料海洋立管这一新型的海洋立管形式进行基于大位移流固耦合作用的涡激振动分析,并与传统金属海洋立管涡激振动特性进行对比,推进对复合材料海洋立管涡激振动特性的理解。涡激振动分析采用理论分析和CFD 模拟,考虑大位移流固耦合作用、复合材料海洋立管阻尼随其频率变化的特性以及3D 复合材料管材等效属性的影响,为复合材料海洋立管的涡激振动分析奠定理论及技术基础,并可推动相应的抑振装置的开发。 （2）实现不同设计参数组合的合理选择。确定复合材料海洋立管各个设计参数对复合材料立管各项性能,特别是涡激振动性能的影响,并建立相应的响应机制,为今后的复合材料海洋立管的设计方向提供指导。 （3）建立合理的复合材料海洋立管相似模型。根据复合材料海洋立管的特性,建立合适、准确的相似模型,通过易于实现的相似性模型试验验证复合材料海洋立管数值模拟结果的正确性,保证研究结果的可信性和可应用性。 五、预期社会效益 随着本课题的开展,复合材料海洋立管的涡激振动特性及疲劳特性将得到进一步理解,相关抑振装置的开发将得到进一步的发展,这些都将推动复合材料海洋立管在实际工程中的应用,使复合材料海洋立管代替传统金属海洋立管成为可能。而复合材料海洋立管的应用又将大大提高现有海洋平台生产能力及开发深度并将较低海洋立管的使用费用和后期维护费用。这些都将使深水海洋资源的开发和利用更加经济有效,创造巨大的社会经济效益。