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研究方向

海洋工程重大力学问题

 针对海洋工程在水动力学、结构力学、工艺力学等领域存在的大量国际学术前沿力学难题,长期致力于船海领域非线性水波理论、水中航行体高速水动力学、流固耦合与振动噪声、海洋结构物非线性动力学等方面的关键力学问题与求解方法,为船舶与海洋结构物的开发、设计和制造、深海勘探系统和资源开发提供基础理论支撑。

在自然科学基金重点项目和国家 973 课题支持下,突破了畸形波、非定常共振波浪等强非线性波浪机理、深海分层流与内波等极端动力环境、波浪砰击与上浪等强非线性响应、超大型浮式结构物流固耦合、低温液舱晃荡与船体相互作用、海底软土基础力学等基础理论问题。

同伦分析方法获2016年国家自然科学二等奖;国际上首次在理论上预言了深水定常共振波系的存在,并于 2015 年率先实现物理验证;揭示了波波、波流相互作用的畸形波生成演化机理及其时空变化规律;系统发展了潜射导弹水下发射的高速水动力与水弹道预报方法,获国防科技进步奖;攻克了高雷诺数流动模拟、剪切流和振荡流下的涡激振动的研究方法,获海洋工程科技 2017 年科学技术特等奖;发现涡激运动锁定特征、流场结构和关键参数影响规律,为发展深吃水平台奠定理论基础。

在求解强非线性问题、畸形波与内波、涡激振动等领域引领国际海洋工程力学领域的发展。作为副组长单位主持完成国家自然科学基金委海洋工程“十三五”发展规划。编制的求解强非线性问题、船海计算流体力学系列软件为国际广泛下载使用。

代表性项目:

国家自然科学基金重点项目:统一波浪模型及有限水深尖峰孤立波研究,2015.01-2019.12

国家自然科学基金重点项目:畸形波的动力学机理及其对深海平台强非线性作用研究, 2013.01-2017.12

国家自然科学基金重点项目:海啸力学及其在南中国海的应用, 2017.01-2021.12

国家自然科学基金重点项目:滨海软土地区深大基坑群施工过程致灾机理及预警控制研究, 2014.01-2018.12

国家自然科学基金重点项目:变拓扑柔性多体系统动力学若干关键问题的理论与实验研究 , 2012.12-2016.12

国家自然科学基金重大项目课题:超细长柔性结构流固耦合响应分析理论, 2015.01-2019.12总装备部预研管理中心:XXX/XXX 空化流内外流场观测与失稳特性分析研究,2017.12-2019.12

代表性论文:

Z. Liu and S.J. Liao. Steady-state resonance of multiple wave interactions in deep water. Journal of Fluid Mechanics. 2014,742:664-700.

Z. Liu, D.L. Xu, J. Li, T. Peng, A. Alsaedi , S.J. Liao. On the existence of steady-state resonant waves in experiment. Journal of Fluid Mechanics. 2015,763:1-23.

S.J. Liao, D.L. Xu and M. Stiassnie. On the steady-state nearly resonant water waves. Journal of Fluid Mechanics. 2016,794:175-199.

J.G. Wang, S.X. Fu, Baarholm Rolf, J. Wu, C. M. Larsen .Fatigue damage of a steel catenary riser from vortex-induced vibration caused by vessel motions. Marine Structures. 2014, 39: 131-156.

X. L. Tian, L. F. Xiao, X. D. Zhang, J. M. Yang, L. B. Tao, D. Yang . Flow around an oscillating circular disk at low to moderate reynolds numbers. Journal of Fluid Mechanics. 2017, 812: 1119-1145.

X. L. Tian, O. M. Chen, Yang J. M. Yang, M. Dag. Large-eddy simulation of the flow normal to a flat plate including corner effects at a high Reynolds number. Journal of Fluids and Structures. 2014,49:149–169.

J. Y. He, C. L. Zhang, Y. Zhu, L. Zou, W. Li, F. Noblesse . Interference effects on the Kelvin wake of a catamaran represented via a hull- surface distribution of sources. European Journal of Mechanics B-Fluid. 2016, 56: 1-12.

F. Noblesse, G. Delhommeau, H. Liu, D. Wan , C. Yang. Ship Bow Waves. Journal Of Hydrodynamics. 2013, 25(4): 491-501.

代表性专著:

Advances in the Homotopy Analysis Method;廖世俊;World Scientific Press;2014

Homotopy Analysis Method in Nonlinear Differential Equations;廖世俊;Springer & Higher Education Press;2012

计算水力学中的无网格方法;梁东方,张景新,王华,陈日东 ;上海交通大学出版社;2016

力学与工程;刘桦,仲政;上海交通大学出版社;2009

土力学地基基础;陈希哲,叶菁;清华大学出版社;2013

 

海洋工程装备与技术

该方向研究内容包括新型深海开发装备、深海平台定位与立管系统、海底基础与桩基、海洋工程先进试验理论与方法等。

实验室创建了国际一流的深海装备性能模型试验技术体系,突破畸形波、三维短峰波等极端海洋环境精准模拟技术,提出深水系泊系统截断实验设计的四层筛选法和预偏移设计理念,研制了气浮支撑微阻尼涡激运动试验装置,突破了张力腿平台低质量比力学特性模拟难题;研制了平衡式砰击载荷毫秒级测量传感器、浪高仪密集阵列。试验技术体系获得上海市科技进步一等奖,发表 SCI 论文 20 余篇,授权发明专利 8 项。

体系全面支撑我国首座深水半潜式生产平台“陵水 17-2”、首艘深水起重铺管船“海洋石油201”、首个 DP 浮托安装“惠州 25-8”工程、亚洲最大导管架“荔湾 3-1”平台安装工程、第六代和第七代深水半潜式钻井平台等深水重大工程的成功实施,发挥了不可替代的作用。通过国际竞标,承接完成英荷壳牌、埃克森美孚、雪佛龙等跨国能源企业的海洋开发海外工程应用项目 23 项,成为世界深海装备开发的首选试验基地。

实验室建立了我国首套海洋平台安全保障系统,包括平台监测、数据传输、陆上集控基地等功能,突破了实海域现场测量、信息融合处理、监测结果深度应用等多项关键技术,首次安装于“海洋石油981”平台,保障南海作业安全;突破海上厘米级精确定位、碰撞力监测与反馈、海上远距离实时数据传输等关键技术,为海上作业决策提供可靠依据,完成荔湾 3-1、惠州 25-8 等南海 7 个油气田开发,国际竞标完成马来西亚 2 座油田海上浮托安装。

建立了饱和土中桩基动力响应的解析解体系和高效算法模型,为饱和软土地区桩基设计施工和环境振动控制提供理论方法。发表 SCI 论文 65 篇,他引 260 次,获 2015 年教育部自然科学一等奖。获国家科技进步二等奖。

代表性项目:

科技部重大专项:深水浮式平台工程化设计试验验证研究,2016.01-2020.12

工信部国家创新专项课题:第七代超深水钻井平台(船)创新专项,2016.01-2020.12。

工信部国家创新专项课题:深水半潜支持平台研发专项,2017.01-2019.12

国 际 工 程 项 目:TLP-TAD Coupled Wave Basin Model Testing Services for Shell TLP Malikai Deepwater Project - Phase II,2014.03-2015.12

国家重点研发计划子课题:极地冰区系泊及动力定位系统,2016.12-2019.12 

工信部项目:500m 水深油田生产装备 TLP 自主研发,2016.01-2017.01

代表性论文:

X.L. Tian, L.F. Xiao, X.D. Zhang, J.M. Yang, L.B. Tao, D. Yang. Flow around an oscillating circular disk at low to moderate Reynolds numbers. Journal of Fluid Mechanics. 2017, 812: 1119-1145.

M.Y. Liu, L.F. Xiao, J.M. Yang, X.L. Tian. Parametric study on the vortex-induced motions of semi-submersibles: Effect of rounded ratios of the column and pontoon. Physics of Fluids. 2017, 29(5): 055101.

X.L. Tian,M.O. Chen, J.M. Yang, Dag Myrhaug. Large-eddy simulation of the flow normal to a flat plate including corner effects at a high Reynolds number. Journal of Fluids and Structures. 2014, 49: 149-169.

H. Wei, L.F. Xiao, X.L. Tian, Y.F. Kou. Four-level screening method for multi-variable truncation design of deepwater mooring system. Marine Structures. 2017, 51: 40–64.

M.Y. Liu, L.F. Xiao, H.N. Lu, J.Q. Shi. Experimental investigation into the influences of pontoon and column configuration on vortex-induced motions of deep-draft semi-submersibles. Ocean Engineering. 2016, 123: 262–277.

代表性专著:

船舶与海洋工程环境载荷(第 2 版);杨建民,肖龙飞,葛春花;上海交通大学出版社;2013

海洋石油钻井与升沉补偿装置;亢峻星;海洋出版社;2017

深水半潜式钻井平台关键技术研究;谢彬,杨建民;上海交通大学出版社;2013

 海洋工程水动力学试验研究;杨建民,肖龙飞,盛振邦;上海交通大学出版社;2008

远程遥控气压沉箱技术与应用;李耀良,王建华,周香莲,袁芬;中国建筑工业出版社;2010

国际专利:

VERTICAL OIL STORAGE SYSTEM AND ITS METHOD FOR  DEEPWATER DRILLING AND PRODUCTION. 

专利号:US9.327.805B2,美国,王晋,罗勇

VERTICALLY INSTALLED SPAR AND CONSTRUCTION METHODS,

专利号:US8.689.721B2, 美国 , 王晋

船舶设计理论与方法

实验室以数字化、智能化设计为核心,长期致力于开展数字化设计与智能制造、特种工程船关键技术、舰船综合性能与安全保障等相关研究。

开展大型绞吸式挖泥船研发与总体设计研究,引领国际大型远海疏浚装备技术发展。提出了绞吸式挖泥船恶劣环境下多体耦合动力分析技术,揭示了专业疏浚设备的动力载荷机理,突破了大型专业疏浚设备的设计理论瓶颈,使得作业海域从沿海拓展到远海;攻克了总体布置、结构设计、性能优化等船型开发难题,提出了智能控制策略和动力装置配置总体技术,开发了智能集成疏浚监控技术与装置,建成了综合控制与信息化管理系统。设计大型绞吸式挖泥船 56 艘,占市场份额超 70%,并投入应用,成为我国南海海洋维权成功实施的关键,为南海永暑礁、永兴岛、美济礁、渚碧礁等岛礁建设工程做出不可替代的贡献。其成果“大型绞吸挖泥船设计原理研究及船型开发实践”获 2017 年教育部科技进步一等奖。

开展船舶数字化智能设计系统研究,攻克船舶智能设计与制造、数字化样船库等关键技术,打通了船舶数字化设计主流软件数据交流难题,实现了统一模型设计理念;基于样船库智能设计,形成了一系列精细化、智能化的性能与结构分析软件,实现国际新规范和新衡准应对及异地协同设计,形成了基于知识工程的船舶设计与多目标协同优化理论与方法。研究成果应用于万箱级超大型集装箱船、1600 客豪华客滚船等高技术船舶研发设计,推动船舶行业的技术进步。

开展船舶计算水动力学研究,开发了船型优化程序 OPTShip-SJTU、无网格船舶水动力求解器MPLarticle-SJTU、流固耦合计算程序 MPSFEM-SJTU,形成了复杂流场、流固耦合、剧烈流动求解软件体系,实现船型综合性能优化。

服务我国现代化海军建设,聚焦舰船高精度水动力性能预报、结构防护、减振降噪、复合能源动力系统、潜艇操纵性能与隐身等关键问题,为我国新一代海军舰艇研发提供重要技术支持和设计依据。获 2013年国防科技进步一等奖、2015 年国防科技进步二等奖。

代表性项目:

科技部重点研发计划子课题:自航式高压逃生艇艇体及快速释放对接装置研制,2016.07-2019.06

科技部重点研发计划子课题:长航程自治式潜水器高效推进器研制,2017. 07-2020.12

交通部工程项目:长江下游 12.5 米深水航道维护疏浚 4500 方 / 时自航绞吸挖泥船建造项目设计, 2017.01-2021.12

工信部重大专项:数值水池创新专项 - 涡激振动 / 涡激运动子系统研发,2016.01-2018.12

工信部:新型 XXXXXX 货围护系统预先研究,2013.01-2017.12

工信部:20000 箱级以上超大型集装箱船创新专项,2016.01-2018.12.

教育部重大项目:船舶数字化智能设计系统(二期),2013.08-2016.12

科技部国际合作项目:柴油机中生物醇类燃料高效清洁燃烧的关键技术合作研究,2014.04-2017.03

代表性论文:

L. Yu, Y. Li, L.J. Xia, J. H. Ding, Q. Yang. Research on mechanics of ship-launching airbags I-Material constitutive relations by numerical and experiment approaches. Applied Ocean Research. 2015, 22: 222-233.

C. Liu, J. Sun, Z.J. Zou. Integrated line of sight and model predictive control for path following and roll motion control using rudder. Journal Of Ship Research. 2015, 59(2):99-112.

Y. Zhu, H.Y. Wu, C. Ma, J.Y. He, W. Li, D.C. Wan, F. Noblesse. Michell and Hogner models of far-field ship waves. Applied Ocean Research. 2017, 68: 194- 203.

J.J. Cui, D.Y. Wang, N. Ma. A study of container ship structures' ultimate strength under corrosion effects. Ocean Engineering. 2017, 130: 454-470.

L.W. Yu, N. Ma, X.C. Gu. Early detection of parametric roll by application of the incremental real-time Hilbert-Huang Transform. Ocean Engineering. 2016, 113: 224– 236. 

J.Y. He, C.L. Zhang, Y. Zhu, H.Y. Wu, C.J. Yang, F. Noblesse, X.C. Gu, W. Li. Interference effects on the Kelvin wake of a monohull ship represented via a continuous distribution of sources. European Journal of Mechanics B-Fluids. 2015, 51: 27- 36.

代表性专著:

印象国内外疏浚装备;刘厚恕;国防工业出版社;2016

Marine Structural Analysis and Design ;王迎光;上海交通大学出版社;2013

船体振动学;金咸定、夏利娟;上海交通大学出版社;2011

梁、板、壳结构非线性分析的二次摄动法(英文版);沈惠申;高等教育出版社;2013

 

深海探测与作业技术

该方向研究内容包括深海无人遥控潜水器、水下重载作业装备、新概念水下运载器、深海探测与信息技术等。实验室是国内最早从事深海水下技术的研究机构之一,曾主持研发国内最早的载人潜水器 “7103 深潜救生艇”和最早的深海调查装备“6000 米深海拖曳观察系统”,分获国家科技进步一等奖和二等奖。

近 20 年来,实验室面向深海资源勘查开发和环境调查等国家战略需求,开发了体系完备的深海调查作业型无人遥控潜水器(ROV)系列。“海龙”已成为我国深海潜水器“三龙”品牌之一。“海龙 II” 获得 2012 年“国家科技进步二等奖”和“中国高校十大科技进展”。实验室已成为我国深海、深渊科学考察和生物取样装备的主要研究机构,支持了深海生物与基因等基础理论研究工作。

完成了“海龙 III”6000 米勘查取样 ROV 系统研制,搭载重型取样工具,具备深海小型钻机、沉积物保压取样器等多种作业工具的搭载能力,具备海底精细巡线功能。2018 年 4 月,在西太平洋首次完成了 4000 米级海试。

“海马号”4500 米 ROV 攻克了大型 ROV 综合控制系统、超高压环境高可靠密封等关键技术,首次成功研制重型被动式升沉补偿器,填补国内空白。在我国南海首次发现了“海马冷泉”, 勘查获得大量天然气水合物,为我国首次实现世界首次连续稳定的可燃冰开采做出重大贡献。

正在研制的“海龙 11000”万米自治缆控水下机器人(ARV),突破了总体设计、布放回收和取样和支持系统等关键技术,完成总体方案设计和关键部件研制测试,研制成功全海深 ARV 成套系统并通过海试,形成我国覆盖全海深的深海调查和取样技术体系。

自主研制世界首台深海水下导向攻泥器,突破连续管钻进、惯性导航定位和末端液控换向技术,国产化率 >90%,实现水深 200 米遥控作业、最大钻进 100 米海底水平定向穿越,标志着我国沉船应急打捞技术跨上新台阶,极大提高了我国船舶事故应急处理能力,达到世界领先水平。

代表性项目:

国家重点研发计划:全海深无人潜水器(ARV)研制,2016.01-2020.12。

国家自然科学基金重点项目:基于动态多源信息的水下移动目标协同监测,2017.01-2021.12总参谋部预研课题:XXXXX 探测系统关键技术研究,2014.10-2015.11

中国大洋协会:勘查取样 ROV 系统,2014.01-2017.12

交通运输部广州打捞局:水下导向攻泥器,2014.01-2019.12

交通运输部广州打捞局:水下开孔机,2013.11-2014.11

国际合作重大项目:新型仿生流体机械的技术研究和开发 ,2012.12-2016.05

代表性论文:

F. Xu, Z.J. Zou, J.C. Yin, J. Cao. Identification modeling of underwater vehicles’ nonlinear dynamics based on support vector machine. Ocean Engineering. 2013, 67: 68-76.

X.S. Xu, Z.J Zou. Robust dynamics calculation for underwater Moving Slender Bodies via Flexible Segment Model based optimization. Ocean Engineering. 2015, 108:493-503.

N.L. Wu, X.Y. Wang, T. Ge, C. Wu, R.Yang. Parametric identification and structure searching for underwater vehicle model using symbolic regression. Journal of Marine Science & Technology. 2017,22(1):51-60.

B. Zhang, Y.Y. Wang, H. Wang, X. Guan and Z. Zhuang. Tracking a Duty-Cycled Autonomous Underwater Vehicle by Underwater Wireless Sensor Networks. IEEE Access. 2017,5:18016-18032.

J. Yan, X. Zhang, X. Luo, Y.Y. Wang, C. Chen, and X. Guan .Asynchronous Localization with Mobility Prediction for Underwater Acoustic Sensor Network. IEEE Transactions on Vehicular Technology. 2017,67(3):2543 – 2556.

代表性专著:

泛可靠性工程理论与实践;易宏,梁晓锋;上海交通大学出版社;2017

时滞反馈控制及其实验;蔡国平,陈龙祥;科学出版社;2017

水下热滑翔机推进;马捷;上海交通大学出版社;2013

基于扰动状态理论的若干岩土力学基础问题研究;郑建业,葛修润,孙红;水利水电出版社;2009

水下运载器操纵控制及模拟仿真技术;马骋,连琏;国防工业出版社;2009

深海资源开发前瞻性技术

该方向研究内容包括深海矿产资源开发装备、海上可再生能源装备、海洋空间资源利用、深海生物与基因开发利用,实海域智能感知与作业技术等。

开展前瞻性的深海矿产资源开发关键技术研究,针对其中的基础科学问题,如长距离输矿管道内部的大颗粒、高密度固-液两相流动、管道内部流场和外部海洋环境耦合作用、采矿系统重载布放应力波“松弛 - 张紧”效应、绿色环保矿石采集技术等,开展了深入的研究,为我国首次多金属结核海上采矿试验提供重要支撑。

结合我国创新提出的深远海超大型浮式基地概念,解决南海无岛礁依托海域的开发和保障问题,具有海上浮动机场、船舶避台靠泊和物资补给等综合功能。针对南海近岛礁海域的特殊海况和地形,提出了南海超大型浮式保障基地的复合非对称系泊方案,开发形成了变水深和近岛礁地形模拟、非均匀入射波浪模拟等整套水池模型试验技术。

实验室研究团队一直活跃在国际深海微生物学研究前沿,采集了全球不同水域热液、冷泉、大洋深海平原、极地等特殊生境样本,建立了国际上唯一长周期运行的深海环境模拟与极端微生物分离培养平台,分离出超嗜热古菌 100 余株,包括迄今唯一一株超嗜热 / 嗜压古菌,打破已知活体生物耐受压力的最高纪录。获得第一个低温、高压诱导深海病毒,得到了科学界广泛的承认,该论文被列为 ESI 近十年来的高被引论文,被引频次进入学科前 1%(0.44%)。提出了“微生物对多因子极端环境协同适应”的假说。研究论文发表于 Nature Microbial(2016)、PNAS(2018)、ISME(2014,2016)、Curr Opin Biotech(2015) 等知名杂志,被 Science 等知名杂志引用及主编点评。

代表性项目:

科技部 973 项目:南海陆坡生态系统动力学与生物资源的可持续利用,2014.01-2018.08

科技部 973 项目:海洋超大型浮体复合系泊系统动力学研究,2013.01-2017.12

科技部 973 项目:风 - 波浪 - 海流复合作用下海上浮式风力机的动力学特性研究,2014.01-2018.12。

国家自然基金重点项目:深海热液区微生物群落的环境适应性机理研究,2016.01-2020.12

国家自然基金重大国际合作项目:下一代海上风力机在极端风浪载荷下的关键技术与机理, 2017.07-2020.06

国家自然基金重大仪器专项:面向全球深海大洋的智能浮标/ 子课题:传感器集成,2016.01-2020-.12工信部重大专项课题:浮式保障基地定位技术,2016.01-2019.12

代表性论文:

S.X. Fu, Y.W. Xu,  K. Hu, Q. Zhong, R.P. Li. Experimental Investigation on Hydrodynamics of a Fish Cage Floater- net System in Oscillatory and Steady Flows by Forced Oscillation Tests. Journal of Ship Research. 2014, 25(1): 20-29.

L.X. Ma, K. Hu, S.X. Fu, T.  Moan,  R.P.  Li. A hybrid empirical-numerical method for hydroelastic analysis of a floater-and-net system. Journal of Ship Research. 2016, 60(1): 14-29.

Y. Chen, Y.L. Li, G.T. Zhou, H. Li, Y.T. Lin, X. Xiao, F.P. Wang. Biomineralization mediated by anaerobic methane-consuming cell consortia. Scientific Reports. 2014, 4: 5696.

H.H. Jian, G.P. Xu, F.P. Wang, X. Xiao. Characterisation of the regulatory function of the H-NS protein in the benthic bacterium Shewanella piezotolerans WP3 under cold conditions. Fems Microbiology Letters. 2017, 364(4):fnx021.

X. Pu ,John Z. Shi*,G.D. Hu. The effect of stratification on the vertical structure of the tidal ellipse in the Changjiang River estuary, China. Journal of Hydro-environment Research. 2017,15:75-94.

Y. Y Liu, Y. Li , F.L. He, H.F. Wang. Comparison study of tidal stream and wave energy technology development between China and some Western Countries. Renewable & Sustanable Energy Reviews. 2017,70:701-716.

Y.T. Wang, X.F. Wang, S.W. Xu, L. Wang. Motion Responses of a Catenary-Taut-Hybrid Moored Single Module of a Semi-submersible Very Large Floating Structure in Multi-Sloped Seabed. Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering.2017, 140(3) .

代表性专著:

计算水力学中的无网格方法;梁东方,张景新,王华,陈日东 ;上海交通大学出版社;2016

Rainfall Induced Soil Slope Failure: Stability Analysis and Probabilistic Assessment ;Lulu Zhang, Jinhui Li, Xu Li, Jie Zhang, Hong Zhu ;CRC Press;2017

疲劳力学;许金泉;科学出版社;2017

河口海岸细颗粒泥沙物理过程;时钟;上海交通大学出版社;2013