多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在深水半潛式鉆井平臺(tái)概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究.pdf

1、我國南海深海海域油氣資源豐富，號(hào)稱“第二個(gè)波斯灣”。我國現(xiàn)已計(jì)劃在南海海域進(jìn)行海洋油氣勘探開發(fā)。已有地質(zhì)資料表明，南海大部分油氣資源蘊(yùn)藏在水深超過500米的海域。但是，我國海洋油氣開發(fā)企業(yè)目前所擁有的鉆井船和鉆井平臺(tái)，僅能在水深小于500米的海域進(jìn)行鉆井作業(yè)。因此，中國海洋石油總公司攜手國內(nèi)知名設(shè)計(jì)單位、船廠和高等院校，正在設(shè)計(jì)建造我國第一艘3000米水深半潛式鉆井平臺(tái)。目前我國船舶設(shè)計(jì)單位在新型海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)研究方面，與國外先進(jìn)

2、企業(yè)相比，仍然有較為明顯的差距。出于短期經(jīng)濟(jì)利益的目的，采用直接購買國外設(shè)計(jì)圖紙，或是由國外設(shè)計(jì)公司提供基本方案的方法，雖然可以滿足工期的要求，但是需要花費(fèi)大量的資金，并難以獲得核心的設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)理念，而且在一定程度上壓制了我國設(shè)計(jì)單位自主創(chuàng)新能力的發(fā)展。本文對(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在深水半潛式鉆井平臺(tái)概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用進(jìn)行了研究。主要內(nèi)容如下： (1)介紹了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的發(fā)展歷程，以及國內(nèi)外研究現(xiàn)狀。然后重點(diǎn)分析了MDO技術(shù)

3、的若干個(gè)關(guān)鍵技術(shù)，包括數(shù)學(xué)建模、試驗(yàn)設(shè)計(jì)和多項(xiàng)式近似模型技術(shù)等，這些關(guān)鍵技術(shù)是合理應(yīng)用MDO技術(shù)的核心。論文重點(diǎn)描述協(xié)同優(yōu)化過程(簡稱CO)的原理和工作流程，并以緩沖球鼻首的優(yōu)化設(shè)計(jì)為例，分析了協(xié)同優(yōu)化過程在船舶與海洋工程結(jié)構(gòu)物設(shè)計(jì)中的適用性。研究表明，協(xié)同優(yōu)化過程有較理想的工程應(yīng)用適用性。 (2)從半潛式鉆井平臺(tái)的特點(diǎn)出發(fā)，對(duì)其主要性能做了描述，并確定了半潛式鉆井平臺(tái)概念設(shè)計(jì)中所應(yīng)用的學(xué)科分類和學(xué)科分析方法。論文選取了一個(gè)目標(biāo)

4、平臺(tái)，選定了六個(gè)獨(dú)立設(shè)計(jì)變量，及設(shè)計(jì)變量的變化范圍。利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)技術(shù)，確定每個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化水平。采用均勻設(shè)計(jì)表，確立了22個(gè)試驗(yàn)工況。 (3)半潛式鉆井平臺(tái)的水動(dòng)力性能是平臺(tái)作業(yè)者最關(guān)心的性能之一。研究中通過建立目標(biāo)平臺(tái)的水動(dòng)力分析模型，結(jié)合模型試驗(yàn)結(jié)果修正系數(shù)，完成水動(dòng)力分析。獲得了目標(biāo)平臺(tái)的垂蕩運(yùn)動(dòng)、橫搖運(yùn)動(dòng)和氣隙性能在22個(gè)試驗(yàn)工況中的分析結(jié)果，并利用近似模型技術(shù)，建立這三個(gè)水動(dòng)力性能指標(biāo)的近似模型。穩(wěn)性性能是半潛式鉆井

5、平臺(tái)設(shè)計(jì)中的重要性能之一。國際海洋工程界和大多數(shù)船級(jí)社對(duì)浮式生產(chǎn)系統(tǒng)的穩(wěn)性性能都有嚴(yán)格的要求。半潛式鉆井平臺(tái)的穩(wěn)性性能以系數(shù)K來衡量，并以平臺(tái)的橫穩(wěn)性性能為研究對(duì)象。采用簡化方法計(jì)算傾覆力矩，采用數(shù)值分析方法計(jì)算回復(fù)力矩。依據(jù)ABS規(guī)范，計(jì)算得到穩(wěn)性性能衡準(zhǔn)系數(shù)K，并建立目標(biāo)平臺(tái)的穩(wěn)性性能近似模型。探討了傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)流程中存在的一些不足，以及利用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)，可以在詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作之初，就將半潛式鉆井平臺(tái)總體強(qiáng)度的要求體現(xiàn)在具體

6、的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中。采用設(shè)計(jì)波法開展總強(qiáng)度分析，選定了四個(gè)典型波浪設(shè)計(jì)工況，完成目標(biāo)平臺(tái)在設(shè)計(jì)波作用下的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。根據(jù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力分布，確定半潛式鉆井平臺(tái)箱型甲板的上甲板和立柱間區(qū)域?yàn)楦邞?yīng)力區(qū)，并以四個(gè)典型波浪工況下結(jié)構(gòu)應(yīng)力的平均值作為衡量平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度性能的指標(biāo)，建立結(jié)構(gòu)性能的近似模型。 (4)在水池模型試驗(yàn)、學(xué)科分析和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的研究基礎(chǔ)上，利用協(xié)同優(yōu)化過程，完成了針對(duì)目標(biāo)半潛式鉆井平臺(tái)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化過程，獲得目標(biāo)

7、平臺(tái)的概念設(shè)計(jì)優(yōu)化方案。通過調(diào)整約束變量對(duì)各性能要求的嚴(yán)格程度，一共完成了7次多學(xué)科優(yōu)化分析，并對(duì)這7次優(yōu)化分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)價(jià)，總結(jié)出多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的一大特點(diǎn)——“折中”。 (5)在總結(jié)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在深水半潛式鉆井平臺(tái)概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用的基礎(chǔ)上，最后提出了利用MDO技術(shù)，協(xié)助設(shè)計(jì)師獲得新型海洋工程結(jié)構(gòu)物概念設(shè)計(jì)方案的一種新思路和方法——“多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化專家方法——MDOEXT”。論文對(duì)該方法的工作流程進(jìn)行了詳細(xì)的描述，說明該方法