大连理工大学阎军教授团队：海洋脐带缆结构分析计算与优化设计

能源是社会持续发展的重要物资根本，随着陆上油气资源开采量逐年减少，海洋油气资源的开发，特别是深海油气资源的开发成为各个国家能源战略角逐的热点。党的二十大报告提出要“加快建设海洋强国”，而海洋科技是推动海洋开发的第一生产力。但是中国的海洋工程技术探索起步较晚，现阶段中国的海洋能源开发装备的设计制造技术和挪威、英国等海洋工程领域强者相比还具有较大差距。面对日益严峻的海洋领域的竞争，掌握海洋能源装备设计制造技术对我国在海洋领域的竞争和开发具有重要的战略意义。

典型的脐带缆结构及截面示意图

在动态海洋环境中应用时，海洋脐带缆上端连接生产控制模块，下端连接海底生产设备，可同时为水下管汇系统提供能源动力，为开闭管汇系统和采油树的阀门提供液压通道，为采油及储油设备提供必需的化学药剂注入(如甲醇等)，为浮体模块传递控制信号及为水下生产设备传递传感器数据的作用。典型的脐带缆结构如图所示，主要包括以下8类单元：钢管、电缆、光缆、填充、内护套、铠装钢丝、防磨层以及外护套。

海洋脐带缆是面向海洋苛刻的环境荷载而形成的创新性海洋能源开发装备之一。海洋脐带缆面对几千米水深的海洋环境荷载，其结构要求具有“刚柔并济” 的力学性能——既具有结构拉伸刚度性能，承受较大的拉伸荷载，又具有较小的弯曲刚度性能，使得海洋脐带缆结构成为柔顺性结构，能够更好地适应海洋环境荷载下的安装铺设和在位运行等多工况荷载条件。

脐带缆整体线型基本布局形式

海洋脐带缆为大长细比多层螺旋缠绕结构，其大长细比特点将导致结构的仿真分析计算十分困难； 多层 结构特点将导致海洋脐带缆受到接触摩擦等非线性因素影响，结构力学性能呈现高度非线性特点；螺旋缠绕的结构特点将使得海洋脐带缆的力学性能(拉伸、弯曲、扭转等) 具有多荷载耦合的特殊性能。

在位运行中的水下生产系统脐带缆

海洋脐带缆被称作海洋油气开发系统的 “血管”和“生命线”，由于海洋脐带缆特殊的结构特点、复杂的力学性能和严苛的工作环境，一旦海洋脐带缆结构发生失效，其结构修复将变得异常困难，将造成较大的经济损失和环境破坏。因此，加强海洋脐带缆结构设计的可靠性和安全性是其在位长期安全运行的前提和保障。

脐带缆截面布局优化设计实例

结构优化设计技术是在给定的约束条件下，针对结构特点和设计目标，给出结构最优的设计方案。通过结构的优化设计，实现结构的创新设计或加强设计是提高结构安全性和可靠性的方法之一。将结构优化设计技术应用于海洋脐带缆结构的高性能设计，是探索海洋脐带缆结构创新性设计和提高结构设计可靠性的途径之一。

柔性管缆拉弯组合疲劳试验机

大连理工大学工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室系统地开展了脐带缆的测试方法研究，搭建了包括深水压力舱试验系统、六自由度运动平台试验系统、柔性管缆拉弯组合疲劳试验机等一系列测试平台，并开展了大量相关的结构力学性能试验，全面具备海洋脐带缆结构性能测试能力。

我国从2009 年开始大力支持海洋装备的自主知识产权能力建设。笔者有幸能够得到国家863 计划和重点研发计划等多个项目的大力支持，参与多项海洋脐带缆结构的设计、制造、测试、安装、运维等方面的技术突破和国产化应用研究。《 》总结了笔者多年来从事海洋脐带缆结构设计和分析的技术和经验。同时，笔者先后从事过结构优化领域和海洋脐带缆结构设计领域的研究工作。通过多年的探索，将结构优化设计技术和海洋脐带缆结构的设计进行交叉融合，能够大幅度提高海洋脐带缆结构设计的效率和可靠性。笔者希望本书能够将所从事的结构优化设计技术在海洋脐带缆结构设计中的部分探索工作展示给广大读者，为海洋工程专业领域的技术人员和从事结构优化设计和海洋脐带缆结构设计的研究人员提供部分参考，同时希望能够为探索学科交叉融合的教育科研工作者提供一些借鉴。

海洋脐带缆结构分析计算与优化设计

阎军, 杨志勋, 卢青针著

北京 : 科学出版社, 2025.1

(计算力学前沿丛书)

ISBN 978-7-03-079783-4

本书首先从海洋脐带缆的研究背景开始介绍，详细总结了海洋脐带缆国内外的发展现状。其次，针对海洋脐带缆结构的螺旋缠绕结构特点，阐述了螺旋缠绕结构现阶段最常用的分析计算方法。再次，针对螺旋缠绕结构特点，阐述了在结构优化和计算力学领域中的计算方法，研究了多尺度计算方法在细长螺旋缠绕结构力学性能快速分析中的应用，探索了计算力学领域和海洋脐带缆结构设计领域交叉研究的可行性。然后，进一步介绍了细长螺旋缠绕结构整体水动力分析的基本理论。最后，探索了结构优化技术在海洋脐带缆结构设计中的交叉应用，包括结构优化技术在脐带缆截面布局和整体线型优化设计中的应用探索。

书中所涉及的关键技术研究得到了科技部多个项目的支持，并且得到中海油研究总院有限责任公司、上海电缆研究所、大连理工大学、大连理工大学宁波研究院、哈尔滨工程大学、挪威科技大学、宁波东方电缆股份有限公司、河北恒安泰油管有限公司、亨通集团有限公司等的大力支持和广大科研工作者的技术指导。在此，向为本书中关键技术突破和研究给予支持和帮助的单位和个人表示衷心感谢！

本书可作为从事海洋脐带缆设计、制造、安装、运维及海洋油气行业相关工程技术人员参考用书。海洋脐带缆结构研究涉及学科较多，研究内容丰富，本书主要以力学性能作为研究基础，研究深度有限。同时鉴于笔者的学术水平有限，书中难免存在疏漏和不足之处，敬请各位读者朋友、同行批评指正。

本文摘编自《海洋脐带缆结构分析计算与优化设计》（阎军, 杨志勋, 卢青针著. 北京 : 科学出版社, 2025.1）一书“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

(计算力学前沿丛书)

ISBN 978-7-03-079783-4

责任编辑：赵敬伟 田轶静

深海油气资源的开发是世界各国海洋能源和资源开发战略“高地”。中国拥有辽阔的海洋面积和丰富的海洋油气资源，海洋强国战略成为国家发展战略之一。海洋脐带缆是深海资源开发系统中的关键装备之一，由于其结构功能的重要性，被形象地称作海洋资源开发系统中的“血管”和“神经线”。本书围绕海洋脐带缆结构的基本特征和工程应用实际，详细介绍了海洋脐带缆的结构特点，我国在海洋脐带缆研究中的突出贡献，螺旋缠绕结构特点和水动力分析理论，结构力学行为研究和试验测试，以及结构优化算法在海洋脐带缆截面设计、整体线型水动力分析和优化设计中的探索等。

本书可为从事海洋工程技术研究的广大科研人员和相关设计、施工、管理人员提供重要参考。

（本文编辑：刘四旦）

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