海洋平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究發(fā)展

王逢軍

摘 要：海洋平臺(tái)是海洋資源開發(fā)的基礎(chǔ)設(shè)施，是海洋工程作業(yè)的重要基地，海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高，為了在保證海洋平臺(tái)使用性能及可靠性的基礎(chǔ)之上降低制造成本，必須要優(yōu)化平臺(tái)設(shè)計(jì)方案。就目前來(lái)說(shuō)，海洋平臺(tái)主要有浮式平臺(tái)、自升式平臺(tái)以及固定式平臺(tái)幾種，本文主要以自升式海洋平臺(tái)為例重點(diǎn)論述海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)優(yōu)化研究發(fā)展，僅為相關(guān)研究人員的工作提供參考。

關(guān)鍵詞：自升式海洋平臺(tái)；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；選型優(yōu)化設(shè)計(jì)；可靠性

截至目前，我國(guó)海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)大多沿用的是傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法，實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中基本上都是根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范，借鑒已有的同類型產(chǎn)品的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)擬定平臺(tái)結(jié)構(gòu)的尺寸，最后通過(guò)反復(fù)的試算驗(yàn)證修改完成設(shè)計(jì)過(guò)程，這種設(shè)計(jì)方法需要耗費(fèi)大量的人力物力資源，且最終得到的設(shè)計(jì)方案并不一定是最優(yōu)的。因此，為了有效地提高海洋平臺(tái)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性、可靠性，同時(shí)降低設(shè)計(jì)制造成本，許多企業(yè)及相關(guān)研究人員都在積極的探討分析海洋平臺(tái)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，下文主要以現(xiàn)階段十分常見的自升式海洋平臺(tái)為例就海洋平臺(tái)的設(shè)計(jì)優(yōu)化的研究發(fā)展問(wèn)題進(jìn)行探討分析。

一、自升式海洋平臺(tái)的基本情況

自升式海洋平臺(tái)是天然氣、石油等各種海洋資源開發(fā)時(shí)十分常見的一種移動(dòng)平臺(tái)，應(yīng)用十分廣泛，主要由升降系統(tǒng)、樁腿以及平臺(tái)主體三部分組成，海洋平臺(tái)的樁腿能夠在一定范圍內(nèi)自由的升降，實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中，樁腿會(huì)下伸到海底站立在海床之上。且根據(jù)作業(yè)水域的不同，樁腿的上部能夠托起平臺(tái)主體使其可以到達(dá)預(yù)定的高度進(jìn)行工作。拖航時(shí)樁腿可以收回，但海面的風(fēng)浪較大時(shí)不能拖航。自升式海洋平臺(tái)的作業(yè)水深在12～550英尺之間，大多數(shù)在250～300英尺之間。這種自升式平臺(tái)主要有沉墊式和獨(dú)立樁腿式兩種型式，樁腿的結(jié)構(gòu)主要有桁架型和筒型兩種，這種平臺(tái)穩(wěn)定性較好、具有較強(qiáng)的定位能力，可以應(yīng)用于較深的海域，能夠適應(yīng)一些惡劣的工作環(huán)境，在大陸架海域海洋資源開發(fā)之中發(fā)揮著重要的作用，本文主要從三個(gè)方面就自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究發(fā)展問(wèn)題進(jìn)行探討分析。

（一）結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

自升式海洋平臺(tái)工作過(guò)程中水深會(huì)不斷的變化，且變化范圍比較大，因此樁腿的柔性較好，在風(fēng)浪溫度等外界環(huán)境因素的影響之下，位移及應(yīng)力響應(yīng)都比較大。相關(guān)研究顯示，自升式平臺(tái)結(jié)構(gòu)的剛度、強(qiáng)度等等會(huì)受到樁腿結(jié)構(gòu)構(gòu)件尺寸、結(jié)構(gòu)形狀及拓?fù)湫问降挠绊懀糠盅芯咳藛T在尺寸優(yōu)化及有限元法理論基礎(chǔ)上，使用Hyperworks優(yōu)化軟件研究分析了自升式平臺(tái)樁靴結(jié)構(gòu)的優(yōu)化問(wèn)題，優(yōu)化之后的樁靴結(jié)構(gòu)受力分布均勻性更好，重量大幅度降低，材料的利用率得到了有效的提高。研究人員采用ANSYS有限元軟件分析了自升式平臺(tái)齒輪齒條強(qiáng)度，通過(guò)對(duì)齒條齒輪的齒根圓角半徑及尺寬的優(yōu)化減輕了齒輪齒條的接觸應(yīng)力，增大了齒根的彎曲強(qiáng)度。

（二）選型優(yōu)化設(shè)計(jì)

樁腿的主要作用是支撐平臺(tái)主體，將平臺(tái)受到的載荷傳遞到地基上，樁腿的安全性對(duì)于平臺(tái)的穩(wěn)定有著重要的影響，因此實(shí)際的設(shè)計(jì)工作中要保證樁腿結(jié)構(gòu)的安全可靠，優(yōu)化樁腿結(jié)構(gòu)形式，能夠使得樁腿受力更合理。

目前來(lái)說(shuō)，自升式海洋平臺(tái)主要有X型、K型、逆K型三種桁架式樁腿，我國(guó)有關(guān)研究人員使用有限元軟件ANSYS對(duì)這三種樁腿結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行仿真模擬，優(yōu)化分析了逆K型樁腿結(jié)構(gòu)，使其力學(xué)性能及經(jīng)濟(jì)性都得到了較大程度的提高。此后，研究人員同樣使用該軟件設(shè)計(jì)建立了參數(shù)化設(shè)計(jì)模型，采用分層優(yōu)化的理論優(yōu)化分析了三種結(jié)構(gòu)形式桁架樁腿的選型，提出了一種能夠應(yīng)用于復(fù)雜海洋環(huán)境下使用的桁架托結(jié)構(gòu)多約束條件優(yōu)化模型，并利用該模型進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，最終得出的桁架樁腿結(jié)構(gòu)力學(xué)性能、安全性能均較好。由此可見，這種多約束條件優(yōu)化模型效果比較顯著，簡(jiǎn)單實(shí)用，工程應(yīng)用價(jià)值較高。

（三）基于可靠性的平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

海洋平臺(tái)是海上油氣開采必備的基礎(chǔ)生活基地及生產(chǎn)設(shè)備工作基地，實(shí)際的作業(yè)過(guò)程中面臨著各種復(fù)雜的海洋環(huán)境，可能需要承受強(qiáng)風(fēng)、海冰荷載、海浪、地震，且海水中含有大量的無(wú)機(jī)鹽，海洋中有許多的海洋生物，這些因素都可能會(huì)侵蝕海洋平臺(tái)，導(dǎo)致地基軟化、地基老化，這都可能會(huì)影響到海洋平臺(tái)的耐久性、安全度，海洋平臺(tái)的安全穩(wěn)定始終是設(shè)計(jì)研究人員討論的重點(diǎn)。

平臺(tái)結(jié)構(gòu)安全評(píng)估的一個(gè)有效的方法即概率可靠性理論，現(xiàn)階段該理論廣泛應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域之中，目前自升式平臺(tái)的結(jié)構(gòu)可靠性優(yōu)化研究正在不斷的發(fā)展之中，取得了一定的研究成果。研究人員在對(duì)自升式海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行詳細(xì)的分析總結(jié)之后，將樁腿應(yīng)力、平臺(tái)甲板的位移作為主要的控制參數(shù)，對(duì)基于首次超越機(jī)制的平臺(tái)整體的可靠度系數(shù)進(jìn)行了分析計(jì)算；通過(guò)等效載荷法建立了一種結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)方程，采用JC方法對(duì)自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠度進(jìn)行了估算，并提出了一種失效判斷準(zhǔn)則，探討分析了海洋平臺(tái)可靠性設(shè)計(jì)研究之中需要綜合考慮的各種問(wèn)題；通過(guò)平臺(tái)基礎(chǔ)失效面函數(shù)綜合分析了海洋平臺(tái)作業(yè)過(guò)程中可能會(huì)影響其可靠性的各種不確定因素，基于應(yīng)變強(qiáng)化理論，提出了一種彈塑性模型，通過(guò)這種模型，仿真模擬分析了樁靴在土壤之中的運(yùn)動(dòng)情況、土壤參數(shù)的非線性、樁靴與基礎(chǔ)之間的耦合作用，并將各種環(huán)境載荷（比如海浪、水流、大風(fēng)等等）、平臺(tái)基礎(chǔ)、平臺(tái)結(jié)構(gòu)等等模型參數(shù)作為隨機(jī)變量，進(jìn)行結(jié)構(gòu)的可靠性分析，利用響應(yīng)面法，提出了一種新的相應(yīng)方法，由短周期響應(yīng)構(gòu)造長(zhǎng)周期，這是一種新的海洋平臺(tái)可靠性分析方法，分析結(jié)果比較有效。

結(jié)束語(yǔ)

自升式海洋平臺(tái)的結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，造價(jià)較高，為了在保證平臺(tái)可靠性、安全性的基礎(chǔ)之上降低平臺(tái)的造價(jià)必須要對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，本文主要從選型、結(jié)構(gòu)等幾個(gè)方面就近些年來(lái)自升式海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究發(fā)展的情況進(jìn)行了簡(jiǎn)單的歸納，希望能夠?qū)ο嚓P(guān)人員這部分的研究工作有所幫助。

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