在波浪和水流共同作用下的单柱复合桶形基础周围局部冲刷的数值模拟

《Ocean Engineering》：Numerical simulation of local scour around mono-column composite bucket foundation under combined wave and current

本研究提出一种结合有限元模拟、代理建模和多目标遗传算法的数据高效、可解释的脆弱性评估方法，用于深海钻井 riser 系统在波流联合载荷下的失效概率估计。通过优化代理模型类型和训练样本量，在保持预测精度的前提下将计算成本从1000次降至101次，并揭示流速是影响 riser 脆弱性最显著的环境参数，为海上结构安全设计提供新工具。

　　深水钻井立管是海上油气开发中至关重要的结构部件，它连接浮动平台与海底井口，确保作业的安全性。在复杂的海洋环境下，如台风和热带风暴频发的南海和墨西哥湾，立管系统会受到波浪和洋流的双重作用，从而产生严重的水动力载荷。这些载荷可能导致立管发生大位移、应力集中、疲劳损伤以及动态失稳等问题，进而影响系统的完整性和安全性。因此，对深水钻井立管系统进行准确且高效的脆弱性评估，对于支持风险导向的设计、安全验证和运营决策具有重要意义。

当前的研究主要集中在深水钻井立管的力学建模和动态响应分析上。已有大量文献探讨了立管在波浪和洋流作用下的行为特征、疲劳性能以及在极端海洋条件下的安全运行窗口。这些研究为立管系统的可靠性分析奠定了坚实的理论基础，特别是在有限元分析（FE）方面，已经形成了较为成熟的技术体系。然而，面对波浪与洋流联合作用下的立管系统，基于脆弱性的失效概率评估仍然存在诸多不足。

尽管蒙特卡洛（Monte Carlo, MC）模拟、对数正态脆弱性（Lognormal Fragility, LF）模型和逻辑回归（Logistic Regression, LR）模型等方法在结构脆弱性建模方面取得了显著进展，但它们在实际应用中仍面临一定的局限性。首先，MC模拟虽然能够提供高精度的失效概率估计，但由于其计算量巨大，难以应用于大规模数据集。其次，LF模型虽然在地震等灾害评估中被广泛应用，但在波浪与洋流联合作用下，其表现可能不够理想。LR模型则在洪水等自然灾害的脆弱性建模中展现出良好的效果，但在波浪与洋流耦合作用下的适用性仍需进一步验证。

综上所述，现有方法在处理深水钻井立管系统脆弱性评估时，尚未系统地评估不同建模方法的适用性和性能表现。同时，由于深水立管系统的结构复杂性和规模庞大，基于有限元的动态模拟往往需要大量计算资源，这使得传统的MC方法在实际应用中变得不切实际。此外，缺乏针对波浪与洋流联合作用的优化脆弱性建模技术，也限制了我们对这两种环境载荷在立管失效风险中的相对贡献进行量化分析，以及识别导致失效的关键环境因素。

针对上述问题，本文提出了一种数据高效、准确且可解释的脆弱性评估方法，专门针对波浪与洋流联合作用下的深水钻井立管系统。该方法融合了有限元模拟数据、基于概率的替代模型（surrogate model）以及多目标遗传算法（Multi-Objective Genetic Algorithm, GA）优化策略，旨在在预测精度、置信区间覆盖、系统鲁棒性和计算效率之间实现平衡。通过引入多目标优化框架，本文不仅能够识别最优的替代模型类型，还能确定最小的训练样本配置，从而在不牺牲准确性的情况下大幅降低计算成本。

在具体实现中，本文采用了两种替代模型——逻辑回归模型和对数正态脆弱性模型，并将其与蒙特卡洛模拟结果进行对比分析。结果表明，在受限数据条件下，逻辑回归模型在预测精度和置信区间覆盖方面均优于对数正态模型。这一发现为在实际工程中选择更合适的替代模型提供了理论依据。此外，通过优化模型参数和样本配置，本文成功地将原本需要1000次有限元模拟的计算任务减少至仅需101次，从而显著提升了计算效率。

为了验证该方法的有效性，本文还进行了一项代表性案例研究，分析了某典型深水钻井立管系统在波浪与洋流联合作用下的脆弱性。研究结果表明，该方法不仅能够准确估计立管系统的失效概率，还能揭示波浪和洋流在立管脆弱性中的相对影响。通过定量分析，本文确定了波浪速度是影响立管脆弱性的最关键环境参数，其次是波浪周期和波浪高度。这些发现对于提升深水钻井立管系统的可靠性评估能力、支持风险导向的设计和运营决策具有重要价值。

本文的研究框架如图2所示，主要包括以下几个步骤：首先，利用有限元模拟获取立管系统的动态响应数据；其次，构建基于逻辑回归和对数正态的替代模型，并通过多目标遗传算法优化模型参数和样本配置；最后，应用优化后的替代模型对立管系统在不同海洋环境条件下的脆弱性进行评估。整个流程不仅考虑了模型的预测精度和置信区间覆盖，还兼顾了计算效率和系统鲁棒性，为实际工程中的脆弱性评估提供了新的思路和技术手段。

此外，本文的研究还具有一定的工程应用价值。通过减少有限元模拟的次数，该方法能够在保证评估结果准确性的同时，显著降低计算成本，这对于资源有限的深水油气开发项目尤为重要。同时，该方法能够提供对波浪和洋流联合作用下立管系统脆弱性的定量分析，有助于识别关键环境因素，并为优化立管设计和提高运营安全性提供科学依据。

最后，本文的研究成果不仅适用于深水钻井立管系统，还可以推广到其他海洋结构的脆弱性评估中。随着海上油气开发向更深水域推进，对海洋结构的可靠性评估需求将日益增加。因此，开发一种高效、准确且可解释的脆弱性评估方法，对于推动深水油气开发技术的进步和保障海上作业安全具有重要意义。本文的研究为这一领域提供了新的工具和方法，同时也为未来的进一步研究指明了方向。