海洋平台优化设计的研究进展

《海洋与环境》课程论文

海洋平台优化设计的研究进展

课程海洋与环境

学生姓名

学号

所在学院

所在班级任课教师提交时间

海洋平台优化设计的研究进展

国内外海洋平台的静力优化设计研究相对较多。目前海上结构的设计规范大多采用的是工作应力( ) 方法。L D( 荷载抗力分项系数设计)方法结合方法和可靠性理论的优点, 既考虑了抗力与各种荷载的随机性又继承了D 设计方法。等在传统设计( ) 方法的基础上充分运用了可靠性技术, 对受波浪荷载的海洋平台进行设计。胡云昌等对渤海北部结冰海域海洋平台的设计表达式的系数进行标定并优化,大大提高了材料的利用率。基于D法海洋平台优化设计简便实用, 但必须根据不同的海域特点进行相关参数的标定。海洋平台优化设计的约束不仅需考虑到结构自身的强度, 刚度和稳定性约束, 还需考虑桩基承载力约束( 桩- 土相互作用) 等, 而桩与地基的作用很大程度上主导了结构抗力的不确定性和敏感性。封盛等研究了如何处理应力约束、桩基横向承载力约束和构件长细比约束, 即取构件截面最大s 应力, 桩顶侧位移或最大抗力比和受压构件长细比; 基于此对海洋平台优化设计, 减少了约束条件数目, 提高优化模型的求解效率。海洋平台结构优化设计研究主要集中在尺寸优化, 国内外不少学者充分地利用各种优化技术和先进的分析软件对海洋平台结构进行优化设计。鲍国斌等提出张力腿平台的尺寸优化模型, 并以平台造价为目标函数, 考虑尺寸约束, 运动约束和强度约束,

用约束变尺度法进行了优化设计, 为张力腿平台的概念设计提供了一种有效的工具。杨树耕等在建立桶基平台有限元分析模型的基础上对桶基火炬平台采用遗传算法进行了优化设计。胡涛、肖熙采用美国 A N 程序, 对导管架式海洋平台进行三维有限元分析。在此基础上以部分优化( 将平台主体结构的桩基和导管架的主要构件尺寸作为设计变量) 和整体优化( 将整个平台主体结构的主要构件尺寸作为设计变量) 进行平台结构整体优化设计。F a r s 对导管架平台常用的梁- 柱式支撑结构进行了分析, 并建立了纯弯及偏心受压情况下的优化模型。s n 提出了基于结构重分析技术与部分最优化相结合的优化方法, 对导管架海洋平台进行优化, 取得了较好的效果。r r e n 采用最小化基于重量的费用函数方法, 对张力腿平台( P ) 系统的尺寸进行优化, 其中设计约束包括最小张力, 最大拉应力, 在流、浪作用下平台的最大补偿, 由于共振系绳( r ) 的最小疲劳寿命。e 提出一种新的响应面方法, 把响应面技术与零次优化策略相结合进行海工结构优化设计, 并指出这种方法的效率很大程度上依赖于结构体系的属性和初始设计的选择。结构的拓扑形式和几何形状不仅决定了海洋平台结构所占空间的大小和重量, 而且直接影响结构的受力状态, 刘书田等以实际环境荷载作用下的实际海洋导管架平台结构为对象, 研究了海洋平台在多荷载模式和多荷载工况下的优化设计的理论方法和应用技术, 对导管架海洋平台结构进行尺寸优化、形状优化和拓扑优化。e

提出了一种新的海工结构自动合成拓扑形式的算法, 通过输入结构的设计约束等基本信息,产生了有限的单元网格, 并且合成一种有效的拓扑结构。形状和拓扑优化技术是改进设计的有效手段,形状优化比尺寸优化所得设计更优, 而拓扑优化的设计效果最好, 但形状、拓扑优化较尺寸优化困难, 理论和方法尚不完善。

海洋平台结构的选型是一个综合性很强的决策问题, 需要考虑很多因素, 包括人们的经验、认识、以及当前的经济情况等经过综合判定确定。结构选型的优劣将在很大程度上影响整个工程上项目功能的实现及经济性能的好坏。康海贵等建立了导管架海洋平台结构形状优化模型及相应的优化方法, 并且采用优选的方法对近海导管架平台进行了多目标模糊选型优化, 得出较为理想的平台结构型式。衣伟等根据我国边际油田储油构造小, 分散的特点, 考虑渤海地区环境及地质条件, 采用综合比较的方法选择了适合近海边际油田开发的混凝土平台型式, 并且对其进行了优化设计, 分析了各约束对平台造价的影响, 确定了平台的适应范围。张志强等在对轻型平台进行综合分析的基础上提供备选平台结构型式, 建立了轻型平台选型优化的层次分析模型。通过模型的求解, 获得了最优平台类型。n 指出对某一海域, 海洋平台结构的型式选择主要依赖于海洋环境的恶劣程度、海床特征、地基土的性质以及有无储油要求等。

本质上讲, 海洋平台所受到的环境荷载都是动荷载, 因此,

海洋平台在动荷载作用下的动态响应特性关系到结构能否发挥正常的性能和保持良好的工作状态, 是结构设计的一项重要指标。海洋平台结构动力优化与静力优化相比, 理论和方法尚不尽完善, 迄今海洋结构的动力优化大都集中在一些相对简单的问题上。例如以频率等动态特性作为约束或目标, 以动力响应( 动应力, 动位移) 为约束的动力优化设计工作相对较少, 而基于可靠度的结构动力优化设计更是凤毛麟角。

在海洋平台结构动力优化问题中, 结构动态响应与设计变量的关系是高度非线性, 优化设计中, 可行域性态不良( 可行域可能是多连通的) 这些使得优化问题的难度增加。针对这些困难, 顾元宪等提出可行域调整、近似一维搜索、自适应运动极限等改进方法形成鲁棒性很强的优化求解算法; 对稳态频率响应采用在振型空间直接求解敏度方程的算法, 对瞬态动力响应采用基于积分的直接求导方法, 并在程序系统中实现。王兴国、周晶利用海洋平台结构优化模型, 结合结构动力分析和优化算法软件对基于地震作用下的海洋平台进行优化设计。和提出了流体动力形状优化程序( ,正切搜索法)采用非线性算法( )使选择的目标函数(停工期)最小化。由于强大的自动生成形状和离散化技术使得不同类型的海工结构得到最优化。和对建立在地震活跃区的大型轴对称海工结构的形状优化问题进行分析, 把地震引起的最大流体动力作为目标函数并使之最小化。在线性流体动力

学的假定下, 利用连续的二次规划算法, 解决了此结构的形状优化问题。