多學科設計優(yōu)化在桁架式Spar平臺概念設計中的應用研究.pdf

1、為適應我國國民經(jīng)濟發(fā)展和人民生活快速增長的需求,國家已計劃在油氣資源豐富的南海深水海域進行海洋油氣勘探開發(fā)。然而,我國現(xiàn)有海洋生產(chǎn)平臺的作業(yè)深度通常在500米以內(nèi),遠遠不能滿足對于南海等深水海域油氣開發(fā)的迫切需求。當今世界范圍內(nèi)用于深水油氣開發(fā)的平臺類型主要包括浮式生產(chǎn)儲油系統(tǒng)、半潛式平臺、張力腿平臺以及Spar平臺。針對Spar平臺功能性強、穩(wěn)定性好、性價比高和安全性好等優(yōu)勢,我國已在Spar平臺方面投入了多年的研究,具有良好的技術儲

2、備。因此,Spar平臺無疑將成為我國今后南海等深水海域油氣勘探開發(fā)裝備中的重點選擇之一。
　　 目前,國內(nèi)船舶設計單位在包括Spar平臺在內(nèi)的新型海洋平臺的設計研究方面,特別是最重要的概念設計方面,與國外先進企業(yè)相比存在著差距,加之Spar平臺設計技術具有壟斷性,我國研發(fā)Spar平臺將面臨很多困難。為了加快我國深海平臺尤其是Spar平臺的研發(fā)步伐,盡快突破Spar平臺的設計技術瓶頸,我們應當在Spar平臺概念設計的方法與理念上有

3、所創(chuàng)新。
　　 本文首先依據(jù)現(xiàn)有的海洋平臺設計方法,探索性地進行桁架式Spar平臺的概念設計和結構設計研究?，F(xiàn)有的海洋平臺設計理念是建立在改良母型平臺基礎上的串行設計方法,存在過多依賴設計專家經(jīng)驗和母型平臺、設計成本高、概念設計結果無法充分反映平臺整體性能等不足。由于Spar平臺系統(tǒng)是具有高復雜度的工程系統(tǒng),其設計過程需要涉及到的多個學科,包括水動力學,結構力學、工程應用和可靠性等,這些學科之間既相互聯(lián)系、相互作用,也存在著相互

4、沖突,使得桁架式Spar平臺的概念設計呈現(xiàn)典型的“多學科”特點。現(xiàn)有的海洋平臺設計模式很難真正從系統(tǒng)的角度出發(fā),充分考慮設計變量及各性能間的相互影響,得到的設計結果往往只是滿足設計要求的方案,并非真正的系統(tǒng)最優(yōu)設計方案。
　　 此外,船舶與海洋平臺的設計發(fā)展必將走向數(shù)字化和虛擬化,如果在設計的初始階段,就可以通過高度的系統(tǒng)集成,整體的把握各個方面的性能,無疑會給決策者帶來巨大的幫助。而現(xiàn)有的海洋平臺設計方法很難實現(xiàn)這一目標。要加

5、快深海資源的開發(fā),必須創(chuàng)新地提出新的設計理念和設計方法。
　　 在上述背景下,本文作為上海市科委重大基礎研究課題“深海單柱式平臺關鍵動力特性的理論與實驗研究”的一部分,引入在航空航天領域獲得巨大成功的、用于解決復雜系統(tǒng)設計與優(yōu)化問題的多學科設計優(yōu)化方法(Multidisciplinary Designoptimization,簡稱MDO),探索其在Spar平臺概念設計中的應用可行性。論文主要的研究過程分為四個階段:
　　

6、 第一階段:課題相關研究領域的綜述
　　 針對現(xiàn)有海洋平臺設計方法存在的問題,闡述了多學科設計優(yōu)化在海洋平臺概念設計中應用的意義。綜述了多學科設計優(yōu)化的發(fā)展概況和主要技術,重點介紹了多學科設計優(yōu)化技術的核心技術--多學科優(yōu)化算法,并對幾種主要的多級優(yōu)化算法,從來源和目的、近似模型、分解技術、收斂性和工程性等五個方面進行了比較。在此基礎上,根據(jù)船舶與海洋平臺的設計特點,指出基于近似模型的協(xié)同優(yōu)化算法和BLISS2000算法是比較適

7、合進行船舶和海洋平臺多學科設計優(yōu)化的多學科優(yōu)化算法。
　　 第二階段:現(xiàn)有桁架式Spar平臺的概念設計和結構設計方法
　　 首先根據(jù)現(xiàn)有的海洋平臺設計方法,探索性地開展了Spar平臺概念設計研究。Spar平臺的概念設計涉及到兩方面的問題:一是設計方法、流程以及結構物的形式；二是水動力性能。與船舶以及其它海洋平臺設計相類似,Spar平臺的概念設計思想依然是一個不斷調(diào)整完善的過程。本文歸納了桁架式Spar平臺概念設計的基本流

8、程,并結合具體設計要求,給出了桁架式Spar平臺的設計實例,完成了包括甲板布置、重量控制、主尺度的確定、穩(wěn)性校核和初步的水動力分析。
　　 在概念設計基礎上,進行了桁架式Spar平臺的結構設計,主要工作包括:
　　 (1)歸納了桁架式Spar平臺各部分結構的設計思想,根據(jù)平臺結構布置特點和載荷分配情況,完成了平臺結構的設計；
　　 (2)根據(jù)設計波方法,選定了兩個典型波浪工況,采用三維勢流理論,得到桁架式Spar

9、平臺的波浪誘導載荷,完成該桁架式Spar平臺的總體結構強度分析。
　　 (3)分別對在硬艙底部采用雙層底結構和單層底結構兩種結構形式對于底部甲板的影響進行了計算,結果表明雙層底結構可以大幅降低硬艙底部甲板應力。
　　 由概念設計和結構設計得到的桁架式Spar平臺將作為基準平臺,與多學科設計優(yōu)化結果進行比較。
　　 第三階段:多學科設計優(yōu)化在桁架式spar平臺概念設計中的應用
　　 成功應用多學科設計優(yōu)化技

10、術的關鍵是建立一個合理的多學科設計優(yōu)化模型。為此,首先歸納了桁架式Spar平臺的主要設計參數(shù),包括平臺主尺度參數(shù)、平臺作業(yè)能力參數(shù)、經(jīng)濟性和可靠性參數(shù)。由于本文是針對spar平臺的概念設計進行優(yōu)化,因而選擇主尺度參數(shù)作為優(yōu)化的設計變量。然后,根據(jù)均勻設計方法,對各設計變量劃分水平和建立試驗方案。
　　 在建立桁架式Spar平臺多學科設計優(yōu)化框架時,如果在優(yōu)化框架內(nèi)的學科過多,常常會導致優(yōu)化難以收斂；而如果所涉及的學科過少,又無法

11、充分反應平臺的特性,也就失去了多學科設計優(yōu)化的意義。因此,本文提出了一種“折衷”的多學科建模方法,將影響spar平臺性能的學科劃分為三個模塊,即優(yōu)化模塊、約束模塊和檢驗模塊,對于分屬不同模塊的學科采用不同的方法處理。
　　 其中,優(yōu)化模塊中的學科是業(yè)主和設計人員最關注的,其設計結果體現(xiàn)一個設計方案的質(zhì)量,在多學科優(yōu)化設計中,通常作為優(yōu)化目標處理。約束模塊中的學科是實現(xiàn)平臺功能的前提條件,以約束條件的形式出現(xiàn)在優(yōu)化模型中,參與到優(yōu)

12、化循環(huán)過程。一般,僅選擇一個學科中關鍵性的參數(shù)作為比較不同設計方案的指標:檢驗模塊中的學科不參與優(yōu)化循環(huán)過程,是對優(yōu)化設計方案的全面、準確的校核。文中,殼體結構重量作為優(yōu)化模塊的優(yōu)化目標:平臺垂蕩運動和縱搖運動的短期預報值作為水動力學科的約束目標,平臺在風暴狀態(tài)下的完整穩(wěn)性衡準數(shù)作為穩(wěn)性學科的約束目標,平臺在靜水力和波頻載荷作用下的硬艙底部甲板與桁架結合處的主應力作為結構學科的約束目標。為建立桁架式Spar平臺的多學科設計優(yōu)化模型,根據(jù)

13、試驗設計的安排,對各試驗方案分別進行了水動力分析、穩(wěn)性分析和結構強度分析。最后,介紹了作為檢驗模塊的平臺/錨泊系統(tǒng)耦合時域動力分析的方法和檢驗準則。
　　 在此基礎上,根據(jù)第一階段中對于幾種多學科設計優(yōu)化算法比較的結果,選擇基于近似模型的協(xié)同優(yōu)化方法作為多學科設計優(yōu)化算法,建立了桁架式Spar平臺概念設計的協(xié)同優(yōu)化數(shù)學模型,并進行了多學科優(yōu)化分析。
　　 第四階段:桁架式spar平臺多學科優(yōu)化模型的改進和優(yōu)化
　　

14、 盡管近似模型可以大幅提高計算效率,然而其精度存在問題。因此,為提高多學科設計結果的可應用性,分別采用了兩種改進方法:
　　 (1)響應面更新策略--提出了響應面更新技術及實施程序,完成了基于響應面更新的桁架式Spar平臺概念設計的協(xié)同優(yōu)化過程。對各設計變量更新的歷程和結果進行了初步的討論。通過與基準平臺的對比表明:優(yōu)化設計方案的結構重量大幅降低,垂蕩、穩(wěn)性、強度等性能參數(shù)也有所提高,只有縱搖性能略微下降。證明了協(xié)同優(yōu)化方法在

15、桁架式spar平臺概念設計中應用的可行性以及多學科設計優(yōu)化技術的優(yōu)越性。通過百年一遇海況的時域耦合分析,驗證了優(yōu)化結果的合理性。
　　 (2)可變復雜度方法--由于近似模型與真實模型間存在著差距,而響應面更新策略只是提高了響應面模型的精度,并沒有體現(xiàn)真實模型的結果。因此,使用可變復雜度方法對第三階段協(xié)同優(yōu)化的結果進行修正。
　　 針對可變復雜度方法需要大量初始計算以保證計算精度的缺點,結合上述兩種改進方法的各自特點,提出

16、了基于響應面更新的可變復雜度方法。研究表明:基于響應面更新的可變復雜度方法可以在較少初始樣本計算的情況下,獲得精度高的結果,這
　　 綜上,論文在以下四個方面,做出了創(chuàng)新性的研究成果:
　　 (1)提出了一套完整的桁架式Spar平臺的概念設計方法和流程。開展了甲板布置、主尺度設計、穩(wěn)性和水動力性能初步分析等概念設計工作。在此基礎上,進行了桁架式Spar平臺的結構設計,并應用設計波法對平臺主要結構進行了強度校核。
　

17、　 (2)將多學科設計優(yōu)化技術應用到桁架式Spar平臺的概念設計中,通過對由現(xiàn)有設計方法和多學科設計優(yōu)化方法得到的方案的對比,證明了多學科設計優(yōu)化技術在桁架式Spar平臺設計領域的適用性和優(yōu)越性。
　　 (3)提出將Spar平臺設計中所涉及的學科進行分模塊處理的多學科建模方法,即分為優(yōu)化模塊、約束模塊和檢驗模塊,針對分屬不同模塊的學科采用不同方法處理。不僅簡化了多學科設計優(yōu)化的計算流程,降低了優(yōu)化收斂的難度,而且也可以保證模型

18、的合理性和工程適用性。
　　 (4)針對多學科設計優(yōu)化中采用近似模型所存在的精度問題,分別采用了響應面更新策略和可變復雜度方法,來改進近似模型的精度和提高優(yōu)化結果的可靠性。在此基礎上,提出了基于響應面更新的可變復雜度方法,通過響應面的逐步更新提高精度,通過可變復雜度方法,減小近似模型與高精度模型間的差距。
　　 本文四個階段的研究成果和主要創(chuàng)新點,是對現(xiàn)行Spar平臺概念設計方法的革新。將多學科設計優(yōu)化方法更好地應用于S