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《上海交通大学》 2010年
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多学科设计优化在桁架式Spar平台概念设计中的应用研究

姜哲  
【摘要】: 为适应我国国民经济发展和人民生活快速增长的需求,国家已计划在油气资源丰富的南海深水海域进行海洋油气勘探开发。然而,我国现有海洋生产平台的作业深度通常在500米以内,远远不能满足对于南海等深水海域油气开发的迫切需求。当今世界范围内用于深水油气开发的平台类型主要包括浮式生产储油系统、半潜式平台、张力腿平台以及Spar平台。针对Spar平台功能性强、稳定性好、性价比高和安全性好等优势,我国已在Spar平台方面投入了多年的研究,具有良好的技术储备。因此,Spar平台无疑将成为我国今后南海等深水海域油气勘探开发装备中的重点选择之一。 目前,国内船舶设计单位在包括Spar平台在内的新型海洋平台的设计研究方面,特别是最重要的概念设计方面,与国外先进企业相比存在着差距,加之Spar平台设计技术具有垄断性,我国研发Spar平台将面临很多困难。为了加快我国深海平台尤其是Spar平台的研发步伐,尽快突破Spar平台的设计技术瓶颈,我们应当在Spar平台概念设计的方法与理念上有所创新。 本文首先依据现有的海洋平台设计方法,探索性地进行桁架式Spar平台的概念设计和结构设计研究。现有的海洋平台设计理念是建立在改良母型平台基础上的串行设计方法,存在过多依赖设计专家经验和母型平台、设计成本高、概念设计结果无法充分反映平台整体性能等不足。由于Spar平台系统是具有高复杂度的工程系统,其设计过程需要涉及到的多个学科,包括水动力学,结构力学、工程应用和可靠性等,这些学科之间既相互联系、相互作用,也存在着相互冲突,使得桁架式Spar平台的概念设计呈现典型的“多学科”特点。现有的海洋平台设计模式很难真正从系统的角度出发,充分考虑设计变量及各性能间的相互影响,得到的设计结果往往只是满足设计要求的方案,并非真正的系统最优设计方案。 此外,船舶与海洋平台的设计发展必将走向数字化和虚拟化,如果在设计的初始阶段,就可以通过高度的系统集成,整体的把握各个方面的性能,无疑会给决策者带来巨大的帮助。而现有的海洋平台设计方法很难实现这一目标。要加快深海资源的开发,必须创新地提出新的设计理念和设计方法。 在上述背景下,本文作为上海市科委重大基础研究课题“深海单柱式平台关键动力特性的理论与实验研究”的一部分,引入在航空航天领域获得巨大成功的、用于解决复杂系统设计与优化问题的多学科设计优化方法(Multidisciplinary Design Optimization,简称MDO),探索其在Spar平台概念设计中的应用可行性。论文主要的研究过程分为四个阶段: 第一阶段:课题相关研究领域的综述 针对现有海洋平台设计方法存在的问题,阐述了多学科设计优化在海洋平台概念设计中应用的意义。综述了多学科设计优化的发展概况和主要技术,重点介绍了多学科设计优化技术的核心技术——多学科优化算法,并对几种主要的多级优化算法,从来源和目的、近似模型、分解技术、收敛性和工程性等五个方面进行了比较。在此基础上,根据船舶与海洋平台的设计特点,指出基于近似模型的协同优化算法和BLISS 2000算法是比较适合进行船舶和海洋平台多学科设计优化的多学科优化算法。 第二阶段:现有桁架式Spar平台的概念设计和结构设计方法 首先根据现有的海洋平台设计方法,探索性地开展了Spar平台概念设计研究。Spar平台的概念设计涉及到两方面的问题:一是设计方法、流程以及结构物的形式;二是水动力性能。与船舶以及其它海洋平台设计相类似,Spar平台的概念设计思想依然是一个不断调整完善的过程。本文归纳了桁架式Spar平台概念设计的基本流程,并结合具体设计要求,给出了桁架式Spar平台的设计实例,完成了包括甲板布置、重量控制、主尺度的确定、稳性校核和初步的水动力分析。 在概念设计基础上,进行了桁架式Spar平台的结构设计,主要工作包括: ⑴归纳了桁架式Spar平台各部分结构的设计思想,根据平台结构布置特点和载荷分配情况,完成了平台结构的设计; ⑵根据设计波方法,选定了两个典型波浪工况,采用三维势流理论,得到桁架式Spar平台的波浪诱导载荷,完成该桁架式Spar平台的总体结构强度分析。 ⑶分别对在硬舱底部采用双层底结构和单层底结构两种结构形式对于底部甲板的影响进行了计算,结果表明双层底结构可以大幅降低硬舱底部甲板应力。由概念设计和结构设计得到的桁架式Spar平台将作为基准平台,与多学科设计优化结果进行比较。 第三阶段:多学科设计优化在桁架式Spar平台概念设计中的应用 成功应用多学科设计优化技术的关键是建立一个合理的多学科设计优化模型。为此,首先归纳了桁架式Spar平台的主要设计参数,包括平台主尺度参数、平台作业能力参数、经济性和可靠性参数。由于本文是针对Spar平台的概念设计进行优化,因而选择主尺度参数作为优化的设计变量。然后,根据均匀设计方法,对各设计变量划分水平和建立试验方案。 在建立桁架式Spar平台多学科设计优化框架时,如果在优化框架内的学科过多,常常会导致优化难以收敛;而如果所涉及的学科过少,又无法充分反应平台的特性,也就失去了多学科设计优化的意义。因此,本文提出了一种“折衷”的多学科建模方法,将影响Spar平台性能的学科划分为三个模块,即优化模块、约束模块和检验模块,对于分属不同模块的学科采用不同的方法处理。 其中,优化模块中的学科是业主和设计人员最关注的,其设计结果体现一个设计方案的质量,在多学科优化设计中,通常作为优化目标处理。约束模块中的学科是实现平台功能的前提条件,以约束条件的形式出现在优化模型中,参与到优化循环过程。一般,仅选择一个学科中关键性的参数作为比较不同设计方案的指标;检验模块中的学科不参与优化循环过程,是对优化设计方案的全面、准确的校核。文中,壳体结构重量作为优化模块的优化目标;平台垂荡运动和纵摇运动的短期预报值作为水动力学科的约束目标,平台在风暴状态下的完整稳性衡准数作为稳性学科的约束目标,平台在静水力和波频载荷作用下的硬舱底部甲板与桁架结合处的主应力作为结构学科的约束目标。为建立桁架式Spar平台的多学科设计优化模型,根据试验设计的安排,对各试验方案分别进行了水动力分析、稳性分析和结构强度分析。最后,介绍了作为检验模块的平台/锚泊系统耦合时域动力分析的方法和检验准则。 在此基础上,根据第一阶段中对于几种多学科设计优化算法比较的结果,选择基于近似模型的协同优化方法作为多学科设计优化算法,建立了桁架式Spar平台概念设计的协同优化数学模型,并进行了多学科优化分析。 第四阶段:桁架式Spar平台多学科优化模型的改进和优化 尽管近似模型可以大幅提高计算效率,然而其精度存在问题。因此,为提高多学科设计结果的可应用性,分别采用了两种改进方法: (1)响应面更新策略——提出了响应面更新技术及实施程序,完成了基于响应面更新的桁架式Spar平台概念设计的协同优化过程。对各设计变量更新的历程和结果进行了初步的讨论。通过与基准平台的对比表明:优化设计方案的结构重量大幅降低,垂荡、稳性、强度等性能参数也有所提高,只有纵摇性能略微下降。证明了协同优化方法在桁架式Spar平台概念设计中应用的可行性以及多学科设计优化技术的优越性。通过百年一遇海况的时域耦合分析,验证了优化结果的合理性。 (2)可变复杂度方法——由于近似模型与真实模型间存在着差距,而响应面更新策略只是提高了响应面模型的精度,并没有体现真实模型的结果。因此,使用可变复杂度方法对第三阶段协同优化的结果进行修正。 针对可变复杂度方法需要大量初始计算以保证计算精度的缺点,结合上述两种改进方法的各自特点,提出了基于响应面更新的可变复杂度方法。研究表明:基于响应面更新的可变复杂度方法可以在较少初始样本计算的情况下,获得精度高的结果,这大大节省了初始计算的时间。 综上,论文在以下四个方面,做出了创新性的研究成果: (1)提出了一套完整的桁架式Spar平台的概念设计方法和流程。开展了甲板布置、主尺度设计、稳性和水动力性能初步分析等概念设计工作。在此基础上,进行了桁架式Spar平台的结构设计,并应用设计波法对平台主要结构进行了强度校核。 (2)将多学科设计优化技术应用到桁架式Spar平台的概念设计中,通过对由现有设计方法和多学科设计优化方法得到的方案的对比,证明了多学科设计优化技术在桁架式Spar平台设计领域的适用性和优越性。 (3)提出将Spar平台设计中所涉及的学科进行分模块处理的多学科建模方法,即分为优化模块、约束模块和检验模块,针对分属不同模块的学科采用不同方法处理。不仅简化了多学科设计优化的计算流程,降低了优化收敛的难度,而且也可以保证模型的合理性和工程适用性。 (4)针对多学科设计优化中采用近似模型所存在的精度问题,分别采用了响应面更新策略和可变复杂度方法,来改进近似模型的精度和提高优化结果的可靠性。在此基础上,提出了基于响应面更新的可变复杂度方法,通过响应面的逐步更新提高精度,通过可变复杂度方法,减小近似模型与高精度模型间的差距。 本文四个阶段的研究成果和主要创新点,是对现行Spar平台概念设计方法的革新。将多学科设计优化方法更好地应用于Spar平台设计,进而促进海洋平台设计的数字化和虚拟化发展,对推动包括Spar平台在内的新型平台的自主研制与应用均具有一定的意义。
【学位授予单位】:上海交通大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2010
【分类号】:U674.381

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【参考文献】
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