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海洋平台结构优化设计方法与软件

马红艳

  海洋平台是开发海底油气资源的基础结构,也是生产作业与生活基地。其设计周期和设计质量直接影响到海洋油气资源开发的成本和效率。因此,采用先进的优化设计技术是提高设计质量、缩短设计周期、保证设计安全可靠的重要手段,研究海洋平台结构优化设计技术及开发相应的软件,具有重要的工程意义。海洋平台受到风、浪、流、海冰等复杂海洋环境的作用,其结构静、动态响应非常复杂,研究海洋平台的结构响应分析方法、结构响应对结构形式以及尺寸等设计参数的敏度分析技术、优化设计问题的模型与求解方法,具有重要的理论意义。本文主要研究了导管架海洋平台结构系统优化设计的理论与数值计算方法。建立了导管架平台结构多设计准则、多约束条件的优化模型;研究了在随机波浪等复杂载荷环境作用下的海洋平台结构静、动态响应和随机响应的计算方法以及结构响应灵敏度分析方法;研究了基于设计规范的海洋平台选型优化、结构形状与尺寸优化方法;以CAE软件JIFEX为支撑平台,开发了海洋平台优化设计软件。以渤海油田开发为工程背景,针对具体的海洋平台结构进行优化设计。主要研究内容包括:1.固定式导管架海洋平台结构的选型优化和形状、尺寸优化方法。研究了导管架平台的结构特点及所处的海洋环境,建立了风、浪、流、海冰等环境荷载作用下的平台结构各种力学响应分析的合理的有限元模型。研究了多设计准则、多约束条件和多荷载工况的优化设计方法,建立了基于设计和建造规范的导管架平台结构选型优化(拓扑布局与构件尺寸的联合优化)问题的模型,约束条件包括满足规范的应力、位移、构件稳定性、整体抗倾覆能力、桩基横向承载力和管结点的剪切强度等设计约束。选型优化过程分为两阶段进行:首先采用基结构方法进行结构的拓扑优化设计,获得了最佳结构拓扑后再进行尺寸优化和形状优化。为克服尺寸和形状两类设计变量耦合所造成的困难,采用了分层优化方法。通过选型优化,在降低平台造价的同时,设计出满足结构的稳定特性、安全寿命等多种设计准则的新型平台结构。在现役平台实际工作环境作用下,以实际设计方案为初始设计的海洋平台选型优化设计结果,说明了本文建立的优化模型和方法的有效性,以及优化设计技术在提高平台结构性能和降低造价方面的重要作用。2.固定式导管架平台在海冰作用下的结构瞬态响应分析与动力响应优化方法。将冰力模拟为随时间作周期性变化的荷载模式,应用有限元数值分析方法求解出结构的位移响应值。将位移响应及结构的固有频率作为约束条件,以构件的截面尺寸为设计变量,将结构重量作为优化目标,对海洋平台结构进行了动力优化设计,有效地控制海洋平台结构在冰激作用下的振动水平。采用基于Newmark积分的直接求导法计算瞬态响应灵敏度,在序列二次规划算法中采用了可行域调整、近似一维搜索、自适应运动极限等改进技术,提高求解效率和收敛稳定性,以解决结构动态响应与设计变量的关系复杂、高度人连理工人学博士学位论义非线性,优化可行区域的性态不良等问题。3.随机波浪作用下的海洋平台结构随机响应灵敏度分析方法与结构优化设计。采用随机响应分析的确定性算法一虚拟激励法,研究实现了导管架平台在波浪作用下随机振动响应的有限元计算方法,提出了结构随机响应的灵敏度分析方法。将随机响应灵敏度分析这一复杂问题的求解转化为相对容易的稳态简谐响应分析问题,避免了求振型导数的困难,并可利用随机响应分析的程序模块,使灵敏度计算大为简化、程序实现简单,然后可进一步求出结构随机响应的均值、方差、协方差等统计量的灵敏度。建立了随机波浪作用下海洋平台结构优化模型,考虑了结构随机位移响应及结构固有频率等约束条件。对现役的导管架平台进行了尺寸优化和形状优化,设计结果表明,通过结构动力优化设计,不仅可降低平台的重量,控制结构的随机响应,还可增大平台的基频,以避开与波浪发生共振的频域区段。4.在自主研究开发的结构有限元分析与优化设计软件一JIFEX中实现了上述方法。针对海洋平台结构优化的具体问题和设计要求,依据平台的建造与设计规范,对J正EX软件系统进行了扩充,增加了新的约束条件和设计变量类型,开发了结构随机响应及其灵敏度分析的程序模块,使J正Ex软件具有面向海洋平台结构工程设计的尺寸、形状、拓扑布局三个层次优化(包括结构的强度、刚度、稳定性及振动水平等约束条件)的结构分析与优化设计功能。本文研究工作是国家自然科学基金重大项目“大型复杂结构的关键科学问题及设计理论”(59895410)中“海洋平台结构系统的优化设计”专题部分以及国家重点基础研究发展规划项目“大规模科学计算研究”二级课题“大规模计算工程软件系统的基础理论与实施”(G1999032805)的部分内容。……   
[关键词]:海洋平台;结构优化;选型优化;拓扑优化;形状优化;动力优化;随机波浪;随机响应;灵敏度;软件
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:大连理工大学2003年