随着我国经济的快速发展,石油能源的需求与日俱增。为了满足逐渐增加的石油需求量,我国石油资源开采的重点已逐步由陆地转向海洋,由浅海转向深海。虽然我国在浅海石油开采领域已经取得了显著的研究成果,已经建成并正常运行多个海洋平台,得到了丰富的浅海石油勘探开采经验。但是与浅海相比深海海洋环境更为复杂,作业条件更为恶劣,我国深海石油开采仍然面临诸多挑战。顶张式立管(Top Tension Riser,TTR)是张力腿平台(Tension Leg Platform,TLP)、单柱式平台(Spar)等海洋平台的重要组成结构,是连接海底采油基座与平台浮体的生命线,被广泛应用于深海油气开采中。由于深海海流情况复杂,当海流流过TTR立管时会导致立管发生流致振动(Flow-induced vibration,FIV)或涡激振动(Vortex-induced vibration,VIV)的锁定(Lock-in)现象,降低了立管结构的安全性甚至导致疲劳损伤破坏的发生,因此研究深海TTR立管在海流作用下的动力响应和疲劳损伤是十分必要的和重要的,具有显著的经济意义和社会意义。目前,海洋立管动力响应分析中的载荷模型主要侧重于将海流简化为均匀流、倾斜流或者梯度流等,无法反应海洋流荷载的真实剖面行为。为了更为详尽了解我国南海流花海域环境荷载信息,课题组与中海油研究总院合作在南海挑战号海洋平台建立了海洋环境原型监测系统,采集了较为详尽的监测数据。基于多年海流监测的海流信息并利用大数据分析方法聚类出28种不同形态的典型海流剖面。本文首先对南海挑战号监测系统进行了简要说明,该系统可以细分为独立供电系统、远程传输系统和数据采集系统。进而针对在水下结构监测中大长径比结构的监测传感器布点优化问题,考虑了水下结构湿模态影响,并与有效独立法(EI)结合,开展了适用于海洋TTR立管结构的传感器布点优化方法研究。然后基于长期海流剖面监测信息,给出了基于大数据聚类的28种典型海流剖面的分布。基于Ansys—Fluent平台的流固耦合功能,采用大涡模拟(LES)方法开展了不同形式海流剖面作用下南海某张力腿平台TTR立管流致振动响应的三维数值模拟研究,分析了不同海流剖面作用下立管振动的多重模态特征。数值模拟结果可以看出,随着海流剖面平均流速的增加,立管振动的模态阶数逐渐增加,振动主频逐渐提高。同时发现海流剖面的形状会对立管振动行为产生影响,当流剖面平均流速相同时,随着流剖面倾斜率增加,立管会表现出更高阶的模态振动。对立管振动进行行波和驻波分析,发现低阶模态振动以驻波为主,高阶模态振动多为驻波—行波混合波,其中行波占主导。最后采用雨流计数法、S-N曲线和Miner线性累计损伤准则结合的方法开展了立管的动力行为作用下的疲劳损伤分析,评价了立管整体使用寿命。