深海受限FGP-GPLs多面体管道的热不稳定行为：温度场上升条件下的增强机制与稳定性优化

为解决深海管道在升温环境下易发生热屈曲的问题，研究人员采用功能梯度多孔材料(FGP)和石墨烯片(GPLs)增强的多面体管道结构，通过Halpin-Tsai微观力学理论和薄壳能量法，揭示了孔隙分布、GPLs含量及多面体几何参数对热稳定性的协同调控机制。结果表明，多边形截面较圆形截面临界温度提升显著，为深海管道设计提供了创新解决方案。

　　

在深海原油运输中，管道常需加热以降低原油粘度，但温度上升会导致管道热屈曲失效。传统圆形管道在热力耦合环境下稳定性不足，而功能梯度多孔材料(FGP)与石墨烯片(GPLs)的复合材料因其轻质高强的特性，成为提升管道性能的新方向。然而，如何通过材料-结构协同设计优化热稳定性仍是难题。为此，湖南大学智能结构与安全控制重点实验室团队在《Marine Structures》发表研究，首次将FGP-GPLs与多面体几何结合，系统分析了温度场上升条件下管道的热力学行为。

研究采用Halpin-Tsai微观力学理论量化材料梯度分布，结合高斯随机场模拟孔隙与GPLs的空间排布；通过薄壳理论建立温度-位移平衡路径，引入径向位移函数描述变形，并对比验证了圆形与多边形截面的临界温度差异。

参数化建模与等效分析
通过将多面体管道等效为圆形截面（仅用于解析推导），推导了包含几何非线性的总势能方程。关键假设包括：管道被刚性介质完美包裹（仅允许径向位移）、变形符合余弦函数分布。

验证与性能对比
以铝基FGP-GPLs管道为对象，与已有研究对比显示：① 多边形管道的临界温度ΔT_cr
比圆形管道高35%（六边形）至52%（三角形）；② GPLs重量分数每增加0.5%，ΔT_cr
提升约12%；③ 孔隙比例与热稳定性呈非线性正相关，最优孔隙系数为0.4。

参数敏感性
多边形边数减少可显著提升稳定性（三角形较六边形ΔT_cr
提高17%），但过度增加GPLs含量（>1.5%）会导致材料界面失效。比例因子λ（热膨胀系数）与临界温度呈负相关，验证了公式λΔT_cr
=25/16(2t/3R₀
)^6/5
的普适性。

结论与意义
该研究证实：① FGP-GPLs多面体管道通过材料梯度与几何拓扑的协同设计，突破传统圆形管道的热稳定性极限；② 多边形截面通过应力重分布机制延缓屈曲，为深海管道工程提供新范式；③ 提出的解析模型可精准预测ΔT_cr
，误差<5%。成果对极端环境下的能源运输基础设施设计具有重要指导价值。