如何对海洋平台进行结构优化设计

如何对海洋平台进行结构优化设计
引言：海洋平台是石油钻探与生产所需的平台，主要分钻井平台和生产平台两大类。

平台与海底井口有立管相通，最早出现的平台是导管架平台，由若干根导管组合成而。

先把导管架拖运到海上安装就位，然后顺着导管打桩，最后在桩与导管之间的环形空隙里灌入水泥浆，使导管固定于海底。

平台设于导管架的顶部。

导管架平台的整体结构刚性大，适用于各种土质，是目前最主要的固定式平台。

由于海洋平台工作环境是在近海海面上，受到风浪等载荷作用，因此对其安全性和可靠性的分析和评价是确保其在服役年限内正常使用的重要环节。

1 海洋石油平台结构特点
海洋石油平台是高出海面的一种海洋工程结构，按结构类型可分为固定式平台和移动式平台。

固定式平台又可以分为导管架型、塔型和重力型等各种结构形式。

移动式平台则包括自升式、半潜式，浮船式和张力腿式等结构形式。

海洋平臺是海洋资源开发的基础设施，是海上作业和生活的基地。

在复杂和恶劣环境条件下，环境腐蚀、材料老化、构件缺陷和机械损伤以及疲劳损伤积累等不利因素都将导致整体抗力的衰减、影响结构的服役安全度和耐久性。

合理地建立海洋环境载荷模型、系统地研究海洋平台结构可靠度，揭示海洋平台结构体系优化的理论和方法提高基于可靠度的海洋平台结构优化设计到一个新的水平、从而为海洋资源的安全开采提供科学可靠的保证。

2 海洋平台仿真建模
导管架平台由上层平台结构和下部导管架结构组成，导管架底端通过桩基础固定。

上层平台包括支撑框架和甲板，主要提供生产和生活的场地，其外形为矩形。

下部导管由一系列钢管焊接而成，主体是六根主导管，其间用细管件作为撑杆，组成空间塔架结构，桩基础通过主导管插入海底土层。

整个模型采用三种单元类型：PIPE16，BEAM4，SHELL63。

下部导管架和上部甲板框架的主要竖向支撑构件采用PIPE16单元，甲板平面的框架梁采用BEAM4单元，水平甲板采用SHELL63单元。

整个模型采用同一种钢材，弹性模量EX=2e11Pa，泊松比PRXY=0.3，密度DENS=7800kg/m3。

PIPE16用来划分导管架结构，所有PIPE16采用1号材料属性，网格划分数为1。

导管架的六根主导管采用1号实常数，导管架撑杆采用3号实常数。

甲板
部分的主导管采用2号实常数，甲板部分撑杆采用4号实常数。

BEAM4单元用来划分甲板梁，采用1号材料属性，5号实常数，线段划分3。

SHELL63单元用来划分甲板平面。

采用1号材料属性，6号实常数。

施加位移约束，6个导管架底端节点施加全约束ALL DOF，施加重力加速度。

3 载荷作用下的结构响应
1.风载荷计算
海洋平台在海上工作，受风荷载影响较大，所以必须考虑风荷载的作用。

风载为水平力，假设作用于平台的同一面。

风载分为工作状态风载和非工作状态风载，工作状态风载是指平台在正常工作情况下所能承受的最大计算风力。

本文手动计算风载荷，根据构件侧面积计算出所受外力，然后按最不利方向平均施加在节点上。

2、波浪荷载计算
海洋上的结构物都直接遭受波浪袭击，受到波浪力的作用。

对于海洋结构物来说，波浪荷载是一项主要的环境荷载。

海浪在静水面附近的波浪力较大，减小这一区段结构尺寸，便可减小受力作用，导管架结构便是一个减小波浪力作用的较好结构形式。

波浪力是水流经物体时速度引起的阻力和水体加速度引起的惯性力的线性迭加，阻力与速度平方及阻水面积成正比，惯性力是水质点原有轨迹运动的加速度及被物体排开水体的质量成正比。

3海洋平台结构优化设计
导管架平台结构形式为型钢焊接而成的空间刚架结构。

导管架平台的工作环境非常复杂，除自身和设备的自重外，还有风和浪多荷载工况组合的作用。

目前，平台结构优化设计方面的工作主要集中在结构尺寸优化方面，设计的目标主要是通过调整构件尺寸以使结构的重量最低。

本文研究了海洋平台结构在多荷载下的基于轻量化的结构优化设计的理论方法，在ANSYS软件二次开发的基础上，以MATLAB工具箱作为优化求解器，建立了一种新的基于轻量化的海洋平台结构优化方法。

1.设计变量
导管架平台必须能承受平台设施的重量和环境荷载。

本文主要研究固定式导管架平台结构的尺寸优化问题。

导管架部分大多为圆形钢管焊接的空间梁系结构，因此将尺寸设计变量选取为在导管的内外半径。

2.目标函数
本文中选取平台重量作为结构优化的目标函数，因为平台的轻量化往往是设计阶段需要考虑的首要因素。

3.约束条件
本文考虑的海洋平台结构优化设计的约束包括刚度约束、强度约束和稳定性约束以及尺寸约束等。

刚度约束要求平台结构最大水平位移小于允许值。

强度约束要求平台最大应力小于极限应力。

几何约束要求桩的内外径应满足尺寸要求。

4.优化算法
模拟退火算法是迭代求解策略的一种寻优算法，其出发点是基于退火过程与优化问题之间的相似性。

模拟退火算法从一较高初温出发，不断下降，结合概率突跳特性在解空间中随机寻找全局最优解，即在局部最优解能跳出并最终趋于全局最优。

5优化设计
本文通过MATLAB调用ANSYS命令流来通过退火算法对平台进行优化设计。

若要实现MATLAB对ANSYS的调用，必须要实现MATLAB与ANSYS的数据的互相传递。

优化过程中，结构分布逐渐趋于合理，平台重量重新分配，使得机构轻量化。

5 结论
①基于轻量化的结构优化设计是经济安全的，不但可以减轻结构重量，而且可以保证结构的安全要求。

有限元分析模型的优点是可以更精确的建立仿真建模，该软件由灵活的、多个可扩展的模块组成，因此可以满足各行业的工程计算需要。

②退火算法可以加快进化过程，个体之间不断进行信息传递，有利于发现较好解。

个体容易收敛于局部最优，但多个个体通过合作，有利于对解空间的进一步探索，从而不易陷入局部最优。

但是该算法也具有速度慢缺点。