（工程力学专业论文）海洋平台结构优化设计方法与软件.pdf

摘要 摘要 海洋平台是开发海底油气资源的基础结构，也是，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c a e 软 件j i f e x 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f 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n e w m a r k 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 j 、连理工人学博，i ：学位论卫 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j e x 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 i f e x 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 i f e x 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”f 5 9 8 9 5 4 1 0 ) 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i i i i 理论 与实施”( g 1 9 9 9 0 3 2 8 0 5 ) 的部分内容。 关键谰：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 ! ! j ! 一 _ _ _ _ _ _ _ 。_ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ - h _ 。_ 。_ - 。- _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ - - _ _ _ _ 。h 。_ _ 。 a b s t r a c t o f f s h o r ep l a t f o r m sa r em a i ns t r u c t u r e sf o rm a r i n ep e t r o l e u ma n d n a t u r a ig a se x p l o i t a t i o n t h e ya r ea l s ot h ep l a t f o m so fp r o d u c t i o na n dl i f eo nt h es e a t h ed e s i g n p e r i o da n dq u a l i t y a f f e c td i r e c t l yt h ec o s ta n de f f i c i e n c yo fm a r i n ee x p l o i t a t i o n t h ea p p l i c a t i o no fa d v a n c e d t e c h n o l o g yo fd e s i g no p t i m i z a t i o n i s i m p o r t a n tm e a n sf o rr a i s i n gd e s i g nq u a l i t y , s h o r t i n g d e s i g np e r i o d a n de n s u r i n gd e s i g ns e e u r i t ya n dr e l i a b i l i t y t h u s ，i ti sv e r yi m p o r t a n tt o r e s e a r c ht h em e t h o da n ds o f t w a r eo fd e s i g n o p t i m i z a t i o n f o ro 仃s h o r e p l a t f o r m s t h e p l a t f o f m sa r eu n d e rt h ea c t i o no fc o m p l e x o c e a ne n v i r o n m e n ti n c l u d i n gw i n d ，w a v e ，c u r r e n t a n di c e w h i c hl e a dt os t r u c t u r a ls t a t i ca n dd y n a m i cr e s p o n s e si n t r i c a t e as i g n i f i c a n tm a t t e ri s t od e v e l o pe f f e c t i v em e t h o d sf o rs t r u c t u r a lr e s p o n s ea n a l y s i s ，s e n s i t i v i t ya n a l y s i so f r e s p o n s e s w i t hr e s p e c tt o s h a p ea n ds i z ed e s i g nv a r i a b l e s ，a n dm o d e l i n ga n ds o l v i n gt h ep r o b l e m so f d e s i g no p t i m i z a t i o n t h et h e o r e t i c a la n dn u m e r i c a lm e t b o d so fs t m c m r a ld e s i g no p t i m i z a t i o nf o ro f f s h o r e p l a t f o r m sa r es t u d i e di nt h i st h e s i s ad e s i g no p t i m i z a t i o nm o d e lo fi a c k e tp l a t f o r m sw i t h m u l t i r l ed e s i g nc r i t e r i o n sa n dm u l t i p l ec o n s t r a i n t si se s t a b l i s h e d t h en u m e r i c a lc a l c u l a t i o n m e t h o d so fs t r u c t u r a ls t a t i c ，d y n a m i c ，r a n d o mr e s p o n s ea n ds e n s i t i v i t ya n a l y s i so fs t r u c t u r a l r e s i c o n s eu n d e rt h ea c t i o no fc o m p l e xo c e a ne n v i r o n m e n ta r cp r e s e n t e d ，a n dt h ef o r m u l a t i o n a n ds o l v i n gm e t h o d so fl a y o u t s h a p ea n ds i z e o p t i m i z a t i o n f o rp l a t f o n n sa r es t u d i e d a c c o r d i n gd e s i g nc r i t e r i o n s t h es o f t w a r eo fd e s i g no p t i m i z a t i o nf o ro i t s h o r ep l a t f o r m si s d e v e l o p e db a s e do nc a e a n dj m e xs o f t w a r es y s t e m w i t he x p l o i t a t i o no ft h eb o h a is e ao i l f i e l di nt h eb a c k g r o u n d s e v e r a la c t u a li a c k e tp l a t f o r m sa r eo p t i m i z e d t h em a j o rc o n t e n t si n t h i st h e s i sa r es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： 1 a ni n t e g r a t e d l a y o u t ，s h a p ea n ds i z ed e s i g no p t i m i z a t i o nm e t h o df o r t h ei a e k e t p l a t f o r m s i ss t u d i e d t h es t r u c t u r a lc h a r a c t e r i s t i co ft h e a c k e t p l a t f o r m s a n do c e a n e n v i r o n m e n ta r ea n a l y z e da n dm u l t i 1 0 a dc a s e si n c l u d i n gw i n d ，w a v e ，c u r r e n ta n di c ef r o m d i 髓r e n td k e c f i o n sa r ec o n s i d e r e di nt h ef o r m u l a t i o n t h er e a s o n a b l ef i n i t ee l e m e n tm o d e l s f o rv a r i o u ss t m c t u r a lm e c h a n i c a lr e s p o n s e sa r ee s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ed e s i g nc r i t e r i o n s t h em o d e lo fl a y o u to p t i m i z a t i o n ( t h a ti st h eu n i o nb e t w e e nt o p o l o g yo p t i m i z a t i o na n ds i z e o p t i m i z a t i o n ) i sp r e s e n t e d v a r i o u s k i n d so fc o n s t r a i n t s i n c l u d i n gs t r e s s d i s p l a c e m e n t s t a b i l i t y , t r a n s v e r s ec a r r y i n gc a p a c i t yo fp i l ef o u n d a f i o n sa n ds h e a r i n gs t r e n g t ho ft u b ei o i n t s a r ec o n s i d e r e d t h ep r o c e s so f 1 a y o u to p t i m i z a t i o nf o rp l a t f o r ms t r u c t u r ei n c l u d e st w os t e d s ： f i r s t l y , t h eg r o u n ds t r u c t u r em e t h o di su s e dt of i n dt h et o p o l o g yo p t i m u m t h e nt h es i z ea n d s h a p eo ft h es t r u c t u r e sa r eo p t i m i z e d c o u p l i n gb e t w e e nv a r i o u sd e s i g nv a r i a b l e sp o s s i b l y c a u s et r o u b l ei nc o n v e r g e n c e t w o 1 e v e io p t i m i z a t i o ns c h e m ei s a d o p t e dt od c a lw i t l l t h e p r o b l e m a t i e rl a y o u to p t i m i z a t i o n an e w o f f s h o r ep l a t f o r mm o d e l i so b t a i n e dt h a tc a ns a r i s f y v a r i o u sd e s i g nr e q u i r e m e n t ss u c ha ss t r u c t u r a ls t a b i l i t y , s a f e t ys e r v i c et i m e t h e1 0 w e s tc o s t a n ds oo n t h ed e s i g no p t i m i z a t i o no fa l la c t u a li a c k e tp l a t f o r mi sp r e s e n t e dt os h o wt h ee 艉c t o f i m p r o v i n gm e c h a n i c a lp e r f o r m a n c ea n dr e d u c i n g c o s t 2 t h em e t h o d so fs t r u c t u r a lt r a n s i e n tr e s p o n s ea n a l y s i sa n dd e s i g no p t i m i z a t i o nf o r j a c k e tp l a t f o r m su n d e ri c ef o r c ea r es t u d i e dr e s p e c t i v e l y t h ei c ef o r c ei ss i m u l a t e da sc y c l i n g l o a d t h ep r o b l e mo ft r a n s i e n t d i s p l a c e m e n tr e s p o n s ei s s o l v e db vt h em e t h o do ff i n i t e e l e m e n tn u m e r i c a la n a l y s i s 。i no r d e rt oc o n t r 0 1v i b r a t i o no f p l a t f o r m su n d e rt h ea c t i o no f i c e f o r c e t h em o d e lo fd y n a m i cd e s i g no p t i m i z a t i o nf o rp l a t f o r m si se s t a b l i s h e dc o n s i d e r i n gt h e c o n s t r a i n t so ft r a n s i e n td i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea n ds t r u c t u r a li n h e r e n tf r e q u e n c i e s t h ec r o s s s e c t i o n a ls i z e sa n dn o d a lc 0 0 r d i n a t e sa r et a k e na sd e s i g nv a r i a b l e s 。t h ed e r i v a t i v e sa r ec o d e d d i r e c t l y i nt h e s e n s i t i v i t ya n a l y s i s o fs t r u c t u r a lt r a n s i e n t r e s p o n s e ，w h i c h b a s e do nt h e 儿l ，、 生理工人学博1 j 学位论上 n e w m a r ki n t e g r a l m e t h o d s e q u e n t i a ll i n e a r q u a d r a t i cp r o g r a m m i n gr s l q p ) i su s e d t o s o l v et h ep r o b l e mo fd e s i g no p t i m i z a t i o n 。t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e nt r a n s i e n tr e s p o n s ea n d s h a p ed e s i g nv a r i a b l e si sh i 血l yn o n l i n e a r , a n dt h eb e h a v i o ro f f e a s i b l ed o m a i n si so f t e nn o t g o o d ，w h i c hm a y c a u s ec o n v e r g e n c ed i f f i c u l t i e s i no r d e rt oi m p r o v ec o n v e r g e n c es p e e do f i t e r a t i o np r o c e s s ，s o m ea l g o r i t l a m s ( e g ) t h ef e a s i b l ed o m a i n sa d j u s t i n g ，t h ea d a p t i v em o v e l i m i t ，t h ea p p r o x i m a t el i n es e a r c ha n dt h ea p p r o x i m a t er e a n a l y s i s ，a r ea d o p t e d 3 t h em e t h o do fs e n s i t i v i t ya n a l y s i so fr a n d o mr e s p o n s e sa n dd e s i g no p t i m i z a t i o nf o r j a c k e tp l a t f o r m su n d e rw a v ef o r c e s i ss t u d i e d t h ed e t e r m i n i s t i c a l g o r i t h mf o rr a n d o m r e s p o n s ea n a l y s i s t h ep s e u d oe x c i t a t i o nm e t h o d ( p e m ) i su t i l i z e d t h ef i n i t ee l e m e n t f o r m u l a t i o nf o rs o l v i n gr a n d o mr e s p o n s ea n a l y s i sp r o b l e m so f p l a t f o r m su n d e rt h ea c t i o no f r a n d o mw a v ei s i m p l e m e n t e d ap e m b a s e dm e t h o do fs e n s i t i v i t ya n a l y s i sf o rr a n d o m r e s p o n s e i s p r o p o s e d ，b yw h i c ht h ec o m p l e xp r o b l e mo fs e n s i t i v i t ya n a l y s i sf o rr a n d o m r e s p o n s el s t r a n s f o r m e di n t oe a s i e rp r o b l e mo fs t a t i o n a r yh a r m o n i cr e s p o n s ea n a l y s i s t h i s m e t h o dc a l la v o i dt h ed i f f i c u l t yi nc a l c u l a t i n gd e r i v a t i v e so f e i g n v e c t o r s ，a n dd i r e c t l yu t i l i z e s t h ep r o g r a r i am o d u l ef o r r e s p o n s ea n a l y s i s ，i tm a k e st h ep r o c e s so fs e n s i t i v i t ya n a l y s i ss i m p l e ， a n dp r o g r a mi m p l e m e n t a t i o ne a s i e r f u r t h e r m o r e ，t h es e n s i t i v i t i e so fs o m es t a t i s t i c v a l u e s ， s u c h 踮t h es t a n d a r dd e v i a t i o n s ，t h em e a nv a l u e sa n dt h ec o v a r i a n c eo ft h er a n d o m r e s l c o n s e s c a nb es o l v e d t h ed e s i g no p t i m i z a t i o no fo f f s h o r e p l a t f o r ms t r u c t u r e ss u b i c o tt or a n d o m w a v el o a d sw i t l ls i z ea n d s h a p ed e s i g nv a r i a b l e sh a sb e e ni n v e s t i g a t e dc o n s i d e r i n gc o n s t r a i n t s o f r a n d o m d i s p l a c e m e n tr e s p o n s ea n di n h e r e n tf r e q u e n c i e s n u m e r i c a le x a m p l e sa r es h o w nt o d e m o n s t r a t et h ee f f i c i e n c yo f d y n a m i cd e s i g no p t i m i z a t i o ni nr e d u c i n gs t r u c t u r a lw e i g h ta n d c o n t r o l l i n gr a n d o mr e s p o n s e s y n c h r o n o u s l y , t h es t r u c t u r a li n h e r a n tf r e q u e n c i e sr i s ea n dt h e p l a t f o r m c a na v o i d t h e , r e ；g i o no f r e s o n a n c ew i t hi c el o a d 4 t h em e t h o d sp r e s e n t e da b o v ea r ei m p l e m e n t e di nt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i sa n d d e s i g no p t i m i z a t i o ns o f t w a r es y s t e m j e x w h i c hh a sb e i n gd e v e l o p e db yo u rr e s e a r c h g r o u p c o n s i d e r i n gt h ep r a c t i c a lp r o b l e m si nd e s i g no p t i m i z a t i o nf o r j a c k e tp l a t f o r m sa n dt h e r e q u i r e m e n to fb u i l dc r i t e r i o n s ，s o m en e wf u n c t i o n sa r ea d d e dt oj e x t h e s ei n c l u d et h e a d d i t i o no fn e wd e s i g nv a i l a b l e sa n dn e wc o n s t r a i n t s ，a n dt h ed e v e l o p m e n to fp r o g r a m m o d u l ef o rs e n s i t i v i t ya n a l y s i so fr a n d o mr e s p o n s e s c o n s e q u e n t i a l l y , j 巧e xw i l lb em o r e a p p l i c a b l e f o ro c e a n e n g i n e e r i n g ，a n dp o s s e s s e st h ef u n c t i o n so ft h r e el e v e l s o fd e s i g n o p t i m i z a t i o ni n c l u d i n gs i z e , s h a p e ，a n dt o p o l o g yo p t i m i z a t i o nc o n s i d e r i n gc o n s t r a i n t so f s t r e n g t h ，s t i f i n e s s ，s t a b i l i t ya n dc o n t r o l l i n gs t r u c t u r a lv i b r a t i o n k e y w o r d s ：o f f s h o r ep l a t f o r m ；s t r u c t u r a ld e s i g no p t i m i z a t i o n ；l a y o u to p t i m i z a t i o n ；t o p o l o g y o p t i m i z a t i o n ；s h a p eo p t i m i z a t i o n ；d y n a m i co p t i m i z a t i o n ；r a n d o mw a v e ；r a n d o m r e s p o n s e ；s e n s i t i v i t ya n a l y s i s ；s o f t w a r es y s t e m 锚论 1 绪论 1 1 课题背景简介 本课题研究海洋平台结构系统的优化设计理论及数值计算方法，其内容包括：( 1 ) 针对我国的具体海洋环境和生产要求，进行新型多功能海洋平台结构的选型优化设计。 研究结构拓扑布局与构件尺寸的联合优化方法，提供选型优化方案；( 2 ) 建立大型复杂结 构的工程化分析计算的有限元模型；( 3 ) 研究多设计准则、多约束条件的设计模型和优化 理论，各结构系统的关键设计参数的选取及数值处理方法，研究平台结构的材料、抗振 性能、稳定特性、安全寿命等多种设计准则的优化建模方法与优化设计理论：( 4 ) 研究海 洋平台结构的随机振动响应分析方法以及灵敏度计算方法，在风、海浪、海流、海冰和 地震等祸合作用下结构动力性能优化设计方法：( 5 ) 在通用软件基础上扩充发展面向设计 和面向工程的海洋平台结构分析与优化设计软件。 其中关于海洋平台抗震性能、疲劳寿命和可靠性的研究为课题组其他成员的工作， 因此本文未予提及。 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”( 5 9 8 9 5 4 1 0 ) 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”( g 1 9 9 9 0 3 2 8 0 5 ) 的部分内容。 1 2 工程背景及研究意义 海洋平台作为海上石油开采的主体结构，集中了各种先进的设计与制造技术，构造 复杂。目前，我国海洋平台结构的设计仍然是按照设计规范要求，采用“试算一验证一 修改”设计方法进行，这种传统设计方法得到的设计方案只是满足规范要求的一种方案， 而不一定是满足规范要求的所有方案中最好的( 或较好的) 。而且这种设计方法需要多次 重复“试算验证修改”过程，耗费大量的人力资源和设计时间。与传统的设计方法 相比，结构优化设计是在一定准则下的计算机辅助自动设计过程。对于采用传统设计方 法能够完成的设计，采用优化设计方法可以更快地得到满足要求的优化设计方案，大大 节省人力资源，缩短设计周期，提高结构设计水平和设计质量。对于采用传统设计方法 很难甚至无法完成的设计( 特别是一些大型复杂结构的设计) ，采用优化设计方法可以在 较短的时间内得到满足要求的优化设计方案。在探索结构新的设计思想、方法和理念上， 优化设计方法具有独到的优势，通过优化设计过程，可以得到一些新型的结构型式及形 状拓扑。 海洋平台所处的海洋环境十分复杂和恶劣，承受着多种随时间和空间变化的载荷， 包括风、海浪、海流、海冰和潮汐，同时还受到地震作用的威胁。这些作用是长期的、 大连理工大学博士学位论文 连续的和随机的，因此海洋平台在使用过程中存在着明显、持续振动问题。海洋平台作 为海洋资源开发的基础性设施、海上生产和生活的基地，持续的振动会加剧平台的疲劳 破坏、降低系统的可靠度，给生产、生活带来诸多不利的影响，影响结构的服役安全度 和耐久性。因此如何减轻平台在环境荷载下的振动日趋重要。 我国的海冰主要分布在渤海和黄海北部，每年大约有三个月的结冰期。严重的海冰 可以引发各种灾害形式，其中最重要的是冰荷载对海上建筑物的作用。渤海是我国重要 的油气能源基地，在开采石油过程中需要考虑冰荷载对海洋平台的作用。近几年来发生 的海洋平台冰激振动现象已经造成多起事故，引起工程界的广泛关注。海洋平台的建造 工程浩大，造价昂贵，保守的设计可能造成巨大的浪费。另一方面，一旦出现灾难性的 事故，不仅会造成巨额的经济损失，还会引起生态灾害。因此，安全、合理和经济地设 计和建造海洋平台十分重要。 对于深水海洋平台，其固有频率较低，水流和波浪容易激发振动。当油田的开发要 求海洋平台在深水中进行时，海浪就可能产生显著的振动响应。海洋平台在海洋表面波 浪、内部波浪、重力、海流、风和地震等作用下，将产生惯性力和拖曳力复杂的相互作 用，引起海洋平台的动力响应。随着海水深度的增加，平台的相对柔性也逐渐增加，与 其振动相关的固有频率也越来越低。当这些低频成分趋近于海洋波浪的频带宽时，将发 生巨大的能量集中，从而引起海洋平台共振响应的严重后果。因此，控制平台的振动或 动力响应变得非常重要。经验表明，当平台结构安装水深大于1 0 0 米，或结构的自振频 率大于3 秒时，需要能够反映深水海洋平台结构的动力响应和随机振动特性的分析和设 计方法。 到目前为止，已有许多平台设计与研究人员从事海洋平台的研究工作，取得了丰硕 的成果。但如何在降低造价的同时提高结构的可靠性，使之满足不同开采环境与工作状 态的需要仍是摆在研究工作者面前的复杂而艰巨的任务，理论难度大，应用前景广阔。 实验方法虽然是平台结构设计中一种十分有效的检验手段，但针对实际复杂情况，不可 能通过反复试验的方法来寻找最优设计方案，有效的数值分析与优化将是十分必要的。 对海洋平台结构系统的研究至今已有较多的工作，其主要集中在对结构系统的模型化， 静动力分析以及各种不同荷载的识别等，取得了许多实用的有价值的成果。然而，目前 国内外采用优化技术实现海洋平台的优化设计方面的研究工作还很粗浅，在这一领域内 开展深入的研究是十分有必要的。将建立计算模型，模态分析，动力学分析与重分析， 减振技术与优化分析设计等诸各方面结合起来，进行系统化算法研究与集成化计算软件 开发工作，将具有十分重要的意义。 海洋平台作为多功能的结构体系，对其进行分析和优化将面临多方面的困难：( 1 ) 复 杂而庞大的结构体系。整体结构将包括平台，上部设备以及水下结构，储油设施与海洋 基础等；( 2 ) 复杂的荷载环境，包括风暴，波浪。潮流，流冰，设备运行，靠船撞击，温 度效应以及地震荷载等；( 3 ) 结构在使用过程中的多变性，如平台上设备移动引起的荷载 绪论 变化，平台在长期使用过程中的腐蚀，疲劳。损坏以及水下结构物上海生物的附着等。 ( 4 ) 系统具有的非线性特性，如海洋土基的非线性特性，为进行振动控制设置的阻尼装置 引起的结构非线性以及由强震或强风暴等极端荷载作用下结构产生极值位移时应允许 结构进行的弹塑性响应等。 基于上述分析并考虑到问题的复杂性，本文将研究新型海洋平台结构系统的分析与 设计优化方法，在对复杂工况与环境的荷载与耦合作用分析的基础上，建立海洋平台结 构系统的数值分析与优化设计模型，实现大型平台结构在复杂环境和多种荷载条件下的 多准则优化设计，研究结构随机动力响应及其灵敏度的分析计算方法，研究适用于大型 海洋平台结构的多约束优化设计方法，并与本课题组一起研制开发一个用于海洋平台结 构分析与优化设计的专用计算机软件系统，从而为海洋平台结构设计提供理论基础和一 个强有力的数值分析工具。 1 3 海洋平台的神类与发展【1 6 1 3 1 海洋平台结构的分类 目前用于海上油气资源勘探与开发的海洋平台按功能划分主要分为钻井平台和生 活平台两大类，在钻井平台上设有钻井设备，在生活平台上则设有采油设备。若按结构 型式极其特点来划分，海洋平台大致可分为三大类：固定式平台、移动式平台和顺应式 平台。 固定式平台靠打桩或自身重量固定于海底，目前用于海上石油生产阶段的大多数是 固定式平台，它又可分为桩式平台和重力式平台两个类别。桩式平台通过打桩的方法固 定于海底，其中的钢质导管架平台是目前海上使用最广泛的一种平台；而重力式平台则 是依靠自身重量直接置于海底，这种平台的底部通常是一个巨大的混凝土基础( 沉箱) ， 由三个或四个空心的混凝土立柱支撑着甲板结构。 移动式平台是一种装备有钻井设备，并能从一个井位移到另一个井位的平台，它可 用于海上石油的钻探或生产。移动式平台可分为坐底式平台、自升式平台、钻井船和半 潜式平台四个类别。坐底式平台一般用于水深较浅的海域，工作水深通常在6 0 米之内； 自升式平台具有能垂直升降的桩腿，钻井时桩腿着地，平台则沿桩腿升离海面一定高度， 移位时平台降至水面，桩腿升起，平台就象驳船一样可由拖船把它拖移到新的井位。自 升式平台的优点主要是所需钢材少，造价低，在各种情况下都能平稳地进行钻井作业， 缺点是桩腿长度有限，使它的工作水深受到限制，最大水深约在1 2 0 米左右；钻井船是 在船中央设有井孔和井架，它靠锚泊系统或动力定位装置定位于井位上。它漂浮于水面 作业，能适应更大的水深，同时它的移动性能最好，便于自航。但由于它在波浪上的运 动响应大，稍有风浪就会引起很大的运动，使钻井作业无法再进行下去，风浪更大时船 还得离开井位，这是钻井船得不到大发展的主要原因；半潜式平台是由坐底式平台演变 人连理工丈学博j 二学位论空 而来的，它上有平台甲板，在水面上不受波浪侵袭，下有浮体，沉于水面以下以减小波 浪的扰动力，连接于其间的是小水线面的立柱。由于半潜式平台具有小的水线面面积， 使整个平台在波浪中的运动响应较小，因而它具有出色的深海钻井的工作性能。半潜式 平台可用锚泊定位，锚泊定位的半潜式平台一般适用于2 0 0 - - + 5 0 0 米深的海域。 顺应式平台是一种适于深海作业的海洋平台，它在波浪作用下会产生水平位移。顺 应式平台又可分为张力腿平台( t e n s i o nl e gp l a t f o r m ) 和牵索塔式平台( g u y e dt o w e r p l a t f o r m ) 两个类别。张力腿平台的上部类似于半潜式平台，整个平台是通过张力腿( 实为 系泊钢管或钢索) 垂直向下固定于海底，它是一种新开发的深海平台，与导管架平台相 比，导管架平台的造价与水深的关系大致呈指数关系增加，而张力腿平台的造价则随水 深的增加变化很小。此外，由于每个张力腿都有很大的预张力，因此张力腿平台在波浪 中的运动幅度小于半潜式平台；牵索塔式平台由甲板、塔体和牵索系统三部分组成。塔 体是一个类似于导管架的空间刚架结构，牵索则围绕着塔体对称布置，牵索系统可以吸 收由外力产生的能量，以保证塔体的运动幅度在规定的范围内。 1 3 2 海洋平台的应用发展概况 第一座海洋平台始建于1 8 8 7 年，在美国加里福尼亚，用于海底石油的钻探，它由陆 地延伸到海上的油田上，实际上是一座木质栈桥。以后的六十年中除委内瑞拉的马拉开 波湖因腐蚀严重而采用过混凝土桩基平台外，海上油气开发一直采用木质结构平台。木 质平台一般安装在自然条件好、水面比较平静、水深较浅( 3 0 米q 5 米) 的岸边或内湖， 建造方法简单，技术落后，设