多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在桁架式Spar平臺概念設(shè)計中的應(yīng)用研究.pdf

1、為適應(yīng)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(shù)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(shè)計單位在包括Spar平臺在內(nèi)的新型海洋平臺的設(shè)計研究方面,特別是最重要的概念設(shè)計方面,與國外先進企業(yè)相比存在著差距,加之Spar平臺設(shè)計技術(shù)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(shè)計技術(shù)瓶頸,我們應(yīng)當在Spar平臺概念設(shè)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(shè)計方法,探索性地進行桁架式Spar平臺的概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計研究。現(xiàn)有的海洋平臺設(shè)計理念是建立在改良母型平臺基礎(chǔ)上的串行設(shè)計方法,存在過多依賴設(shè)計專家經(jīng)驗和母型平臺、設(shè)計成本高、概念設(shè)計結(jié)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(fù)雜度的工程系統(tǒng),其設(shè)計過程需要涉及到的多個學(xué)科,包括水動力學(xué),結(jié)構(gòu)力學(xué)、工程應(yīng)用和可靠性等,這些學(xué)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(shè)計呈現(xiàn)典型的“多學(xué)科”特點。現(xiàn)有的海洋平臺設(shè)計模式很難真正從系統(tǒng)的角度出發(fā),充分考慮設(shè)計變量及各性能間的相互影響,得到的設(shè)計結(jié)果往往只是滿足設(shè)計要求的方案,并非真正的系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計方案。
　　 此外,船舶與海洋平臺的設(shè)計發(fā)展必將走向數(shù)字化和虛擬化,如果在設(shè)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(shè)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(shè)計理念和設(shè)計方法。
　　 在上述背景下,本文作為上海市科委重大基礎(chǔ)研究課題“深海單柱式平臺關(guān)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(lǐng)域獲得巨大成功的、用于解決復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計與優(yōu)化問題的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法(Multidisciplinary Designoptimization,簡稱MDO),探索其在Spar平臺概念設(shè)計中的應(yīng)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(guān)研究領(lǐng)域的綜述
　　 針對現(xiàn)有海洋平臺設(shè)計方法存在的問題,闡述了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在海洋平臺概念設(shè)計中應(yīng)用的意義。綜述了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的發(fā)展概況和主要技術(shù),重點介紹了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)的核心技術(shù)--多學(xué)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(shù)、收斂性和工程性等五個方面進行了比較。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)船舶與海洋平臺的設(shè)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(xué)科設(shè)計優(yōu)化的多學(xué)科優(yōu)化算法。
　　 第二階段:現(xiàn)有桁架式Spar平臺的概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計方法
　　 首先根據(jù)現(xiàn)有的海洋平臺設(shè)計方法,探索性地開展了Spar平臺概念設(shè)計研究。Spar平臺的概念設(shè)計涉及到兩方面的問題:一是設(shè)計方法、流程以及結(jié)構(gòu)物的形式；二是水動力性能。與船舶以及其它海洋平臺設(shè)計相類似,Spar平臺的概念設(shè)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(shè)計的基本流

8、程,并結(jié)合具體設(shè)計要求,給出了桁架式Spar平臺的設(shè)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(shè)計基礎(chǔ)上,進行了桁架式Spar平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計,主要工作包括:
　　 (1)歸納了桁架式Spar平臺各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計思想,根據(jù)平臺結(jié)構(gòu)布置特點和載荷分配情況,完成了平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計；
　　 (2)根據(jù)設(shè)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(dǎo)載荷,完成該桁架式Spar平臺的總體結(jié)構(gòu)強度分析。
　　 (3)分別對在硬艙底部采用雙層底結(jié)構(gòu)和單層底結(jié)構(gòu)兩種結(jié)構(gòu)形式對于底部甲板的影響進行了計算,結(jié)果表明雙層底結(jié)構(gòu)可以大幅降低硬艙底部甲板應(yīng)力。
　　 由概念設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計得到的桁架式Spar平臺將作為基準平臺,與多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化結(jié)果進行比較。
　　 第三階段:多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化在桁架式spar平臺概念設(shè)計中的應(yīng)用
　　 成功應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技

10、術(shù)的關(guān)鍵是建立一個合理的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化模型。為此,首先歸納了桁架式Spar平臺的主要設(shè)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(shè)計進行優(yōu)化,因而選擇主尺度參數(shù)作為優(yōu)化的設(shè)計變量。然后,根據(jù)均勻設(shè)計方法,對各設(shè)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(xué)科設(shè)計優(yōu)化框架時,如果在優(yōu)化框架內(nèi)的學(xué)科過多,常常會導(dǎo)致優(yōu)化難以收斂；而如果所涉及的學(xué)科過少,又無法

11、充分反應(yīng)平臺的特性,也就失去了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化的意義。因此,本文提出了一種“折衷”的多學(xué)科建模方法,將影響spar平臺性能的學(xué)科劃分為三個模塊,即優(yōu)化模塊、約束模塊和檢驗?zāi)K,對于分屬不同模塊的學(xué)科采用不同的方法處理。
　　 其中,優(yōu)化模塊中的學(xué)科是業(yè)主和設(shè)計人員最關(guān)注的,其設(shè)計結(jié)果體現(xiàn)一個設(shè)計方案的質(zhì)量,在多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計中,通常作為優(yōu)化目標處理。約束模塊中的學(xué)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(xué)科中關(guān)鍵性的參數(shù)作為比較不同設(shè)計方案的指標:檢驗?zāi)K中的學(xué)科不參與優(yōu)化循環(huán)過程,是對優(yōu)化設(shè)計方案的全面、準確的校核。文中,殼體結(jié)構(gòu)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(yù)報值作為水動力學(xué)科的約束目標,平臺在風(fēng)暴狀態(tài)下的完整穩(wěn)性衡準數(shù)作為穩(wěn)性學(xué)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(jié)合處的主應(yīng)力作為結(jié)構(gòu)學(xué)科的約束目標。為建立桁架式Spar平臺的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化模型,根據(jù)

13、試驗設(shè)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(jié)構(gòu)強度分析。最后,介紹了作為檢驗?zāi)K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(chǔ)上,根據(jù)第一階段中對于幾種多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化算法比較的結(jié)果,選擇基于近似模型的協(xié)同優(yōu)化方法作為多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化算法,建立了桁架式Spar平臺概念設(shè)計的協(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并進行了多學(xué)科優(yōu)化分析。
　　 第四階段:桁架式spar平臺多學(xué)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(xué)科設(shè)計結(jié)果的可應(yīng)用性,分別采用了兩種改進方法:
　　 (1)響應(yīng)面更新策略--提出了響應(yīng)面更新技術(shù)及實施程序,完成了基于響應(yīng)面更新的桁架式Spar平臺概念設(shè)計的協(xié)同優(yōu)化過程。對各設(shè)計變量更新的歷程和結(jié)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(shè)計方案的結(jié)構(gòu)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(shè)計中應(yīng)用的可行性以及多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)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(jié)果的合理性。
　　 (2)可變復(fù)雜度方法--由于近似模型與真實模型間存在著差距,而響應(yīng)面更新策略只是提高了響應(yīng)面模型的精度,并沒有體現(xiàn)真實模型的結(jié)果。因此,使用可變復(fù)雜度方法對第三階段協(xié)同優(yōu)化的結(jié)果進行修正。
　　 針對可變復(fù)雜度方法需要大量初始計算以保證計算精度的缺點,結(jié)合上述兩種改進方法的各自特點,提出

16、了基于響應(yīng)面更新的可變復(fù)雜度方法。研究表明:基于響應(yīng)面更新的可變復(fù)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(jié)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(shè)計方法和流程。開展了甲板布置、主尺度設(shè)計、穩(wěn)性和水動力性能初步分析等概念設(shè)計工作。在此基礎(chǔ)上,進行了桁架式Spar平臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計,并應(yīng)用設(shè)計波法對平臺主要結(jié)構(gòu)進行了強度校核。
　

17、　 (2)將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到桁架式Spar平臺的概念設(shè)計中,通過對由現(xiàn)有設(shè)計方法和多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法得到的方案的對比,證明了多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化技術(shù)在桁架式Spar平臺設(shè)計領(lǐng)域的適用性和優(yōu)越性。
　　 (3)提出將Spar平臺設(shè)計中所涉及的學(xué)科進行分模塊處理的多學(xué)科建模方法,即分為優(yōu)化模塊、約束模塊和檢驗?zāi)K,針對分屬不同模塊的學(xué)科采用不同方法處理。不僅簡化了多學(xué)科設(shè)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(xué)科設(shè)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(yīng)面更新策略和可變復(fù)雜度方法,來改進近似模型的精度和提高優(yōu)化結(jié)果的可靠性。在此基礎(chǔ)上,提出了基于響應(yīng)面更新的可變復(fù)雜度方法,通過響應(yīng)面的逐步更新提高精度,通過可變復(fù)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(shè)計方法的革新。將多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法更好地應(yīng)用于S