多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在桁架式Spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究.pdf

1、為適應(yīng)我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活快速增長(zhǎng)的需求,國(guó)家已計(jì)劃在油氣資源豐富的南海深水海域進(jìn)行海洋油氣勘探開(kāi)發(fā)。然而,我國(guó)現(xiàn)有海洋生產(chǎn)平臺(tái)的作業(yè)深度通常在500米以?xún)?nèi),遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿(mǎn)足對(duì)于南海等深水海域油氣開(kāi)發(fā)的迫切需求。當(dāng)今世界范圍內(nèi)用于深水油氣開(kāi)發(fā)的平臺(tái)類(lèi)型主要包括浮式生產(chǎn)儲(chǔ)油系統(tǒng)、半潛式平臺(tái)、張力腿平臺(tái)以及Spar平臺(tái)。針對(duì)Spar平臺(tái)功能性強(qiáng)、穩(wěn)定性好、性?xún)r(jià)比高和安全性好等優(yōu)勢(shì),我國(guó)已在Spar平臺(tái)方面投入了多年的研究,具有良好的技術(shù)儲(chǔ)

2、備。因此,Spar平臺(tái)無(wú)疑將成為我國(guó)今后南海等深水海域油氣勘探開(kāi)發(fā)裝備中的重點(diǎn)選擇之一。
　　 目前,國(guó)內(nèi)船舶設(shè)計(jì)單位在包括Spar平臺(tái)在內(nèi)的新型海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)研究方面,特別是最重要的概念設(shè)計(jì)方面,與國(guó)外先進(jìn)企業(yè)相比存在著差距,加之Spar平臺(tái)設(shè)計(jì)技術(shù)具有壟斷性,我國(guó)研發(fā)Spar平臺(tái)將面臨很多困難。為了加快我國(guó)深海平臺(tái)尤其是Spar平臺(tái)的研發(fā)步伐,盡快突破Spar平臺(tái)的設(shè)計(jì)技術(shù)瓶頸,我們應(yīng)當(dāng)在Spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)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(tái)設(shè)計(jì)方法,探索性地進(jìn)行桁架式Spar平臺(tái)的概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究。現(xiàn)有的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)理念是建立在改良母型平臺(tái)基礎(chǔ)上的串行設(shè)計(jì)方法,存在過(guò)多依賴(lài)設(shè)計(jì)專(zhuān)家經(jīng)驗(yàn)和母型平臺(tái)、設(shè)計(jì)成本高、概念設(shè)計(jì)結(jié)果無(wú)法充分反映平臺(tái)整體性能等不足。由于Spar平臺(tái)系統(tǒng)是具有高復(fù)雜度的工程系統(tǒng),其設(shè)計(jì)過(guò)程需要涉及到的多個(gè)學(xué)科,包括水動(dòng)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(tái)的概念設(shè)計(jì)呈現(xiàn)典型的“多學(xué)科”特點(diǎn)?，F(xiàn)有的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)模式很難真正從系統(tǒng)的角度出發(fā),充分考慮設(shè)計(jì)變量及各性能間的相互影響,得到的設(shè)計(jì)結(jié)果往往只是滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的方案,并非真正的系統(tǒng)最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。
　　 此外,船舶與海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)發(fā)展必將走向數(shù)字化和虛擬化,如果在設(shè)計(jì)的初始階段,就可以通過(guò)高度的系統(tǒng)集成,整體的把握各個(gè)方面的性能,無(wú)疑會(huì)給決策者帶來(lái)巨大的幫助。而現(xiàn)有的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)方法很難實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)。要加

5、快深海資源的開(kāi)發(fā),必須創(chuàng)新地提出新的設(shè)計(jì)理念和設(shè)計(jì)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(tái)關(guān)鍵動(dòng)力特性的理論與實(shí)驗(yàn)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(jì)與優(yōu)化問(wèn)題的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法(Multidisciplinary Designoptimization,簡(jiǎn)稱(chēng)MDO),探索其在Spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用可行性。論文主要的研究過(guò)程分為四個(gè)階段:
　　

6、 第一階段:課題相關(guān)研究領(lǐng)域的綜述
　　 針對(duì)現(xiàn)有海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)方法存在的問(wèn)題,闡述了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在海洋平臺(tái)概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用的意義。綜述了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的發(fā)展概況和主要技術(shù),重點(diǎn)介紹了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的核心技術(shù)--多學(xué)科優(yōu)化算法,并對(duì)幾種主要的多級(jí)優(yōu)化算法,從來(lái)源和目的、近似模型、分解技術(shù)、收斂性和工程性等五個(gè)方面進(jìn)行了比較。在此基礎(chǔ)上,根據(jù)船舶與海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)特點(diǎn),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(jìn)行船舶和海洋平臺(tái)多學(xué)科設(shè)計(jì)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(tái)的概念設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法
　　 首先根據(jù)現(xiàn)有的海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)方法,探索性地開(kāi)展了Spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)研究。Spar平臺(tái)的概念設(shè)計(jì)涉及到兩方面的問(wèn)題:一是設(shè)計(jì)方法、流程以及結(jié)構(gòu)物的形式；二是水動(dòng)力性能。與船舶以及其它海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)相類(lèi)似,Spar平臺(tái)的概念設(shè)計(jì)思想依然是一個(gè)不斷調(diào)整完善的過(guò)程。本文歸納了桁架式Spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)的基本流

8、程,并結(jié)合具體設(shè)計(jì)要求,給出了桁架式Spar平臺(tái)的設(shè)計(jì)實(shí)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(dòng)力分析。
　　 在概念設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上,進(jìn)行了桁架式Spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),主要工作包括:
　　 (1)歸納了桁架式Spar平臺(tái)各部分結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)思想,根據(jù)平臺(tái)結(jié)構(gòu)布置特點(diǎn)和載荷分配情況,完成了平臺(tái)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；
　　 (2)根據(jù)設(shè)計(jì)波方法,選定了兩個(gè)典型波浪工況,采用三維勢(shì)流理論,得到桁架式Spar

9、平臺(tái)的波浪誘導(dǎo)載荷,完成該桁架式Spar平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。
　　 (3)分別對(duì)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(duì)于底部甲板的影響進(jìn)行了計(jì)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(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得到的桁架式Spar平臺(tái)將作為基準(zhǔn)平臺(tái),與多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較。
　　 第三階段:多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在桁架式spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
　　 成功應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技

10、術(shù)的關(guān)鍵是建立一個(gè)合理的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型。為此,首先歸納了桁架式Spar平臺(tái)的主要設(shè)計(jì)參數(shù),包括平臺(tái)主尺度參數(shù)、平臺(tái)作業(yè)能力參數(shù)、經(jīng)濟(jì)性和可靠性參數(shù)。由于本文是針對(duì)spar平臺(tái)的概念設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,因而選擇主尺度參數(shù)作為優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量。然后,根據(jù)均勻設(shè)計(jì)方法,對(duì)各設(shè)計(jì)變量劃分水平和建立試驗(yàn)方案。
　　 在建立桁架式Spar平臺(tái)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化框架時(shí),如果在優(yōu)化框架內(nèi)的學(xué)科過(guò)多,常常會(huì)導(dǎo)致優(yōu)化難以收斂；而如果所涉及的學(xué)科過(guò)少,又無(wú)法

11、充分反應(yīng)平臺(tái)的特性,也就失去了多學(xué)科設(shè)計(jì)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(tái)性能的學(xué)科劃分為三個(gè)模塊,即優(yōu)化模塊、約束模塊和檢驗(yàn)?zāi)K,對(duì)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(jì)人員最關(guān)注的,其設(shè)計(jì)結(jié)果體現(xiàn)一個(gè)設(shè)計(jì)方案的質(zhì)量,在多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)中,通常作為優(yōu)化目標(biāo)處理。約束模塊中的學(xué)科是實(shí)現(xiàn)平臺(tái)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(guò)程。一般,僅選擇一個(gè)學(xué)科中關(guān)鍵性的參數(shù)作為比較不同設(shè)計(jì)方案的指標(biāo):檢驗(yàn)?zāi)K中的學(xué)科不參與優(yōu)化循環(huán)過(guò)程,是對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的全面、準(zhǔn)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(biāo):平臺(tái)垂蕩運(yùn)動(dòng)和縱搖運(yùn)動(dòng)的短期預(yù)報(bào)值作為水動(dòng)力學(xué)科的約束目標(biāo),平臺(tái)在風(fēng)暴狀態(tài)下的完整穩(wěn)性衡準(zhǔn)數(shù)作為穩(wěn)性學(xué)科的約束目標(biāo),平臺(tái)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(biāo)。為建立桁架式Spar平臺(tái)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型,根據(jù)

13、試驗(yàn)設(shè)計(jì)的安排,對(duì)各試驗(yàn)方案分別進(jìn)行了水動(dòng)力分析、穩(wěn)性分析和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析。最后,介紹了作為檢驗(yàn)?zāi)K的平臺(tái)/錨泊系統(tǒng)耦合時(shí)域動(dòng)力分析的方法和檢驗(yàn)準(zhǔn)則。
　　 在此基礎(chǔ)上,根據(jù)第一階段中對(duì)于幾種多學(xué)科設(shè)計(jì)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(jì)優(yōu)化算法,建立了桁架式Spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型,并進(jìn)行了多學(xué)科優(yōu)化分析。
　　 第四階段:桁架式spar平臺(tái)多學(xué)科優(yōu)化模型的改進(jìn)和優(yōu)化
　　

14、 盡管近似模型可以大幅提高計(jì)算效率,然而其精度存在問(wèn)題。因此,為提高多學(xué)科設(shè)計(jì)結(jié)果的可應(yīng)用性,分別采用了兩種改進(jìn)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(shí)施程序,完成了基于響應(yīng)面更新的桁架式Spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)的協(xié)同優(yōu)化過(guò)程。對(duì)各設(shè)計(jì)變量更新的歷程和結(jié)果進(jìn)行了初步的討論。通過(guò)與基準(zhǔn)平臺(tái)的對(duì)比表明:優(yōu)化設(shè)計(jì)方案的結(jié)構(gòu)重量大幅降低,垂蕩、穩(wěn)性、強(qiáng)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(tái)概念設(shè)計(jì)中應(yīng)用的可行性以及多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的優(yōu)越性。通過(guò)百年一遇海況的時(shí)域耦合分析,驗(yàn)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(shí)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(méi)有體現(xiàn)真實(shí)模型的結(jié)果。因此,使用可變復(fù)雜度方法對(duì)第三階段協(xié)同優(yōu)化的結(jié)果進(jìn)行修正。
　　 針對(duì)可變復(fù)雜度方法需要大量初始計(jì)算以保證計(jì)算精度的缺點(diǎn),結(jié)合上述兩種改進(jìn)方法的各自特點(diǎn),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(jì)算的情況下,獲得精度高的結(jié)果,這
　　 綜上,論文在以下四個(gè)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(tái)的概念設(shè)計(jì)方法和流程。開(kāi)展了甲板布置、主尺度設(shè)計(jì)、穩(wěn)性和水動(dòng)力性能初步分析等概念設(shè)計(jì)工作。在此基礎(chǔ)上,進(jìn)行了桁架式Spar平臺(tái)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),并應(yīng)用設(shè)計(jì)波法對(duì)平臺(tái)主要結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核。
　

17、　 (2)將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)應(yīng)用到桁架式Spar平臺(tái)的概念設(shè)計(jì)中,通過(guò)對(duì)由現(xiàn)有設(shè)計(jì)方法和多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法得到的方案的對(duì)比,證明了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)在桁架式Spar平臺(tái)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的適用性和優(yōu)越性。
　　 (3)提出將Spar平臺(tái)設(shè)計(jì)中所涉及的學(xué)科進(jìn)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(yàn)?zāi)K,針對(duì)分屬不同模塊的學(xué)科采用不同方法處理。不僅簡(jiǎn)化了多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的計(jì)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(duì)多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中采用近似模型所存在的精度問(wèn)題,分別采用了響應(yīng)面更新策略和可變復(fù)雜度方法,來(lái)改進(jìn)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(guò)響應(yīng)面的逐步更新提高精度,通過(guò)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(gè)階段的研究成果和主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn),是對(duì)現(xiàn)行Spar平臺(tái)概念設(shè)計(jì)方法的革新。將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法更好地應(yīng)用于S