设计在半潜式钻井平台设计中的应用

目前,海洋工程界的设计工作流程通常遵循方案设计——基本设计一详细设计的串形设计步骤.寻
这时投入的人力物力十分巨大.大多数工程师在自己所负责的领域里进行设计和计算工作.如水动力 性能工程师负责设计平台获得最佳的水动力性能:结构工程师负责设计平台的结构强度满足船级社规 范要求:系泊系统设计师负责设计平台定位性能最佳;经济工程师负责降低平台总体造价等等.他们
台的动力定位性能数学模型中包括平台重量,平台吃水,以及立柱边长等变量参数,因为这些参数影
响着平台所承受的环境阻尼,从而影响到定位设备的选型. 准确的数学模型能够将关键设计变量参数都考虑到,从而可以达到减少学科分析工作量的目的. 在数学模型中加入多余的设计变量参数,会明显增加学科分析的次数.设计变量的数量越多,每增加 一个交量,带来的学科分析次数和成本增加量就越大:而缺少了关键设计变量.又不能精确地反映出 性能变化规律.因此,数学模型的准确建立要建立在丰富的海洋工程研究经验基础上,这是在半潜式 钻井平台方案设计中应用多学科优化技术的主要难点之一. 一般来说,变量可以分为系统级变量和学科级变量.对于深水半潜式钻井平台来说,平台的主尺 度和排水量是系统级变量,对多个学科都有影响:而平台箱型甲板厚度,立柱的壁厚,则是学科级变
平台的多个因素之同的耦合关系,以确定平台的主尺度,来获得最佳的平台总体性能;介绍了应用乡学科
优化设计时的三个重要关键技术:复杂问题的分解,数学建模和近似模型技术.
关
键
词:多学科优化设计;半潜式钻井平台;复杂问题的分解;数学建模;近似模型
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引言
海洋工程结构物的设计通常是庞大而又复杂的系统工程.以半潜式钻井平台为例,设计时需要综
①各学科的分析和优化过程是并行进展的,各学科间的协调工作由系统级完成,效率高:
②各学科进行分析和优化的过程是独立的,不受其他学科的影响,其对其他学科的影响和其他 学科对它的影响通过系统级传递. 协同优化算法的流程图如图l所示.
48卷增刊
胡志强等:多学科优化设计在半潜式钻井平台设计中的应用
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图1协同优化算法框架
Hale Waihona Puke Baidu2多学科优化设计技术
2.1多学科优化设计的主要思想
多学科优化设计技术起源于飞行器的设计.美国波音公司曾对现有导弹系统全寿命周期费用进行
过一个统计分析,发现方案设计所花费的费用只占整个系统全寿命费用的l%,但它却决定了整个系 统全寿命周期费用的70%t61.这说明复杂系统的方案设计的重要性.飞行器如此,海洋工程结构物也 是如此. 多学科优化设计的主要思想包括增加方案设计在整个设计过程中的比例,在复杂系统设计的各个 阶段力求学科的平衡,充分考虑各门学科之间的互相影响和耦合作用,应用有效的优化策略和信息传 递,运用并行设计来缩短设计周期,获得各个学科之间相互作用所产生的协同效应,以获得系统的整 体最优解[71. 2.2多学科优化设计主要技术 多学科优化设计的应用中包含许多特殊技术,包括多学科优化框架,复杂问题分解,数学建模和 近似技术等.本节介绍MDO的核心内容优化框架,后三者将在第3节结合半潜式钻井平台特点加以 介绍. 目前比较成熟的MDO优化框架包括【g】:
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学术论文
3.2在半潜式钻井平台方案设计中应用多学科优化设计所需的一些关键技术 3.2.1复杂问题的分解 复杂问题的分解是在半潜式钻井平台方案设计中应用多学科优化设计技术的第一个关键技术llⅢ. 由于半潜式钻井平台的复杂程度很高,所涉及的学科范围广,内容丰富,因此将庞大的复杂问题 分解为若干个便于理解分析的子问题,是十分重要的.对于半潜式钻井平台来说,分解的依据可以按 照学科分类,如静力学科,水动力学科,结构力学学科,工程应用学科和成本分析学科等:也可以按 照结构物性能分类,如平台的运动性能,稳性,平台结构强度性能,振动性能,定位性能,平台作业 性能,安全性能,经济性等;或是按照平台的具体构件部分分类,如浮体,立柱,横撑,箱型甲板和 井架等. 在实际应用中,按照结构物性能分类的方法比较合适,因为在每个学科中可能体现出平台的一种 或多种性能.如在静力学科体现平台的稳性;在水动力学科中体现平台的运动性能,气隙性能和定位 性能;在结构力学学科中体现平台的结构强度性能和振动性能:在工程应用学科中体现平台的作业性 能和安全性;在成本分析学科中体现平台的经济性和建造运输可行性等.因此,按照半潜式钻井平台 的性能分类细化程度要高一些,也更便于优化分析. 3.2.2数学建模 数学建模是第二个关键技术【ll】.在完成复杂问题的分解后,需要建立系统级数学模型,以及在每 一个性能中建立起相应的学科级数学模型.建立的数学模型应当较为准确,所选用的变量参数与相关 性能指标关系密切.例如,半潜式钻井平台的垂荡运动性能变量参数包括平台的重量和水线面积.平
①协同优化算法(Collaborative Optim/zation,简称Co); ②并行子空间优化算法(Concurrent Subspace Optimization,简称csso).
这里介绍使用得较为广泛的CO算法.在复杂工程的设计过程中,须要建立一个系统级设计层. 在该系统级设计层内,由顶层设计师从工程整体目标出发,协调各学科级设计优化的结果,并指导各 学科进行分析和优化,从而达到整体目标的最优.协同优化算法的设计思想就是由此而产生的.协同 优化算法的两个最重要的特点是[91:
合考虑多方面因素,诸如成本因素,安全因素,作业因素和性能因素等.这些因素往往相互影响,相 互制约.只有在多方面影响因素之间寻找到一个比较合理的平衡点,才可能设计出总体性能良好的平 台.如何获得一个比较合理,能够综合照顾到各方面因素的设计方案,一直以来是摆在设计师面前的 一个挑战.目前在复杂海洋工程结构物的方案设计中,确定主尺度参数时,主要依靠设计师的经验和 母型结构物参数,再加上一些简单的分析.这种方法在很大程度上依靠人的主观意见,难免会过度考 虑某个因素,或忽略某些性能指标,导致主尺度参数的确定方案偏离最佳设计点.多学科优化设计技 术可以解决这个难题ill. 多学科优化设计(Multidiseiplinary Design Optimization,简称MDO)是通过实现各学科的模块化并 行设计来缩短设计周期,通过考虑学科之间的相互耦合来挖掘设计潜力,通过系统的综合分析来进行 方案的选择和评估,通过高密度集成来实现工程的自动化设计的一种应用在工程方案设计阶段的先进 设计理念和设计方法哪J.利用MDO技术,可以缩短设计周期,提高设计效率,获得最优的系统设计 方案,降低设计成本.多学科优化设计是从飞行器设计发展而来的,目前正在复杂飞行器,导弹和下 一代太空望远镜的设计领域发挥着重要的作用.但是在海洋工程结构物设计领域鲜有成功应用的先例
需要先根据试验设计理论选择试验点,然后在试验点上完成学科分析,得到响应变量值.在此基础上, 再利用不同的方法构建响应面近似模型.
在海洋工程研究领域,模型试验必须在试验水池中完成,耗用的人力物力都比较多,而获得的试
验结果一般只针对一个由试验设计方法确定的试验点.如何利用有限个试验点的试验结果推导出其他 试验点的结果,是一项具有挑战性的工作.目前,可以利用数值外推技术将试验结果与数值分析相结
值分析和模型试验就难以实现了.要想完成分析成本较高的学科分析的迭代计算,就必须使用近似模
型. 在已经发展起来的多学科优化技术中,近似技术包括泰勒近似,可变复杂度近似技术和响应面近 似等.其中响应面近似是比较实用的一项技术,有模拟精度高和优化速度快的特点,比较成熟的响应
面模拟方法包括二次多项式,Kriging模型和神经网络.无论使用哪种方法建立响应面近似模型,都
被研究人员完全掌握,或是没有清晰地了解其规律.在目前的海洋工程研究中,模型试验技术仍然是
不可或缺的可靠研究技术之一.其相对高昂的研究成本,使得实际应用中是不可能为了优化而进行多
次模型试验,因为这在人力物力和时间上都是不允许的.因此,在海洋工程结构物设计领域进行多学
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科优化设计研究,具有一定的挑战性. .本文以半潜式钻井平台的方案设计为例,介绍了多学科优化设计方法的主要特点,探讨了在海洋 工程结构物方案设计中使用多学科优化设计技术的适用性,以及在使用中的一些技术特点.
之间的工作大多是独立开展的,对其他方面的考虑并不充分.在后续的工作中,如果遇到特殊情况, 须要改动平台的主尺度参数.带来的重复劳动和损失是非常巨大的,因为这意味着之前的许多工作都 要推倒重来.但是在某些情况下,又不得不对平台的主尺度参数进行修改,否则后续设计难有进展, 或者总体性能不得不降低.这是平台的设计工作中最不愿意遇到的困境,但是这种矛盾又难免会发生, 多学科优化算法正是解决这种矛盾的有力武器.
日下甲板到基线高度.
摘要
多学科优化设计(Mul咖iseiplinm-y
Design
Optimization,MDO)是通过考虑学科之问的相互耦合来挖
掘设计潜力,通过系统的综合分析来进行方案的选择和评估的一种应用于工程设计阶段的先进设计理念和 设计方法,能够达到提高设计效率,降低设计成本的目的.半潜式钻井平台是具有高复杂度的工程系统, 在其方案设计中要考虑到水动力学,结构力学,动力定位.工程应用以及成本分析等多个学科,非常适合 于多学科优化设计的应用.以半潜式钻井平台方案设计为例,介绍了如何使用多学科优化设计来考虑影响
合,来推导其他试验点的结果.这项技术在深海结构物的性能预报中利用得最为广泛,可以将其用在
多学科优化设计的近似模型技术中.
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胡志强等:多学科优化设计在半潜式钻井平台设计中的应用
4在半潜式钻井平台方案设计中利用多学科优化设计技术分析确定主尺度参数
以上分析了在半潜式钻井平台方案设计中使用多学科优化设计技术的适用性,下面将根据第2节 中阐述的算法框架,介绍确定主尺度参数的多学科优化设计方法.
量.箱型甲板厚度是平台整体结构强度学科分析的重要学科变量,立柱的壁厚是平台耐撞性学科分析
的重要学科变量. 3.2-3近似模型技术 近似模型技术是第三个关键技术【12,13】.由于优化过程中需要大量的迭代计算,每迭代一次,就要 完成一次学科分析,这对使用经验公式或简单计算程序的情况来说是可行的,但是对于使用高精度数
学科级
系统级
图2半潜式钻井平台多学科优化设计学科关系图 根据半潜式钻井平台的多学科优化设计学科关系,确定分析数学模型如下: (1)系统级 系统级优化目标函数采用平台造价成本最小:
minCos户f(W.L.T,B,H.Bc.z91 式中设计变量:矽排水量,zg重心高度,r设计吃水,工浮筒长度,B箱型甲板宽度,肋立柱边长,
48卷增刊 2007年11月
中
国
造
船
V01.48
speeial
SHIPBUILDnqG OF CHINA
N0v.2007
文章编号:1000-4882(2007)S.0001.08
多学科优化设计在半潜式钻井平台设计中的应用
胡志强1,崔维成2
(1.上海交通大学海洋工程国家重点实验室,上海200030;2.中国船舶科学研究中心,江苏无锡214082)
【4.51.
海洋工程技术研究的特殊性主要表现在复杂性,未知性和试验研究成本高.海洋工程结构物与航 空航天器相比较而言,其多学科复杂程度可谓有过之而无不及,需要综合老虑工程结构物的水动力性
能,结构性能,作业性能,安全性能和经济成本等.大多数海洋工程结构物的作业环境是介于空气和
水两种不同介质的交界面上,其所承受的环境载荷,以及自身所表现出来的响应,有很多目前还没有
3在半潜式钻井平台方案设计中使用多学科优化设计技术的适用性
3.1现有半潜式钻井平台设计工作过程特点 一般来说,一旦半潜式钻井平台的主尺度参数被确定下来,其总体性能也可以得到大致的确认.
找使总体性能优秀的平衡点的最理想阶段就是方案设计阶段,因为在这个阶段中,改变平台的主尺度
参数,重新分析平台的总体性能,从整个平台设计过程来说,所付出的重复劳动代价是最小的. 但是,在现有的平台方案设计中,主要是依靠设计师的经验和以往类似平台的相关资料,加上一 定的分析工作,来确定目标平台的主尺度参数.当主尺度参数确定后,大量的后续详细工作随之展开,