田曉潔，王清揚(yáng)，劉運(yùn)祥，謝大帥 （中國海洋大學(xué)，青島，266100） 

摘要：導(dǎo)管架是固定于海底用來支撐海洋裝備的桁架結(jié)構(gòu)，用來承受惡劣海洋環(huán)境下多種載荷的作用，如風(fēng)載、流載、波載以及海冰載荷。合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對減小結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力、振動以及疲勞破壞等有非常重要的作用。本文以 JZ20-2MUQ 導(dǎo)管架平臺為優(yōu)化對象，利用HyperWorks 的 Inspire 模塊進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，求解得到清晰的桁架結(jié)構(gòu)。對優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行重建分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化后的模型重量、位移和最大應(yīng)力均減小，剛度增加，為海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路。

1 概述 

導(dǎo)管架平臺是目前世界上使用最多的一種海洋石油平臺，是一種相當(dāng)成熟和通用的平臺型式。但是，由于導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)復(fù)雜、體積龐大、造價昂貴，所處的工作環(huán)境惡劣，在考慮安全性、經(jīng)濟(jì)性的前提下，對導(dǎo)管架平臺設(shè)計(jì)提出了更高的要求[1]。 傳統(tǒng)的海洋平臺結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)是按照設(shè)計(jì)規(guī)范要求，采用“試算-驗(yàn)證-修改”設(shè)計(jì)方法進(jìn)行的，這種設(shè)計(jì)方法需要耗費(fèi)大量的人力和時間，所得到的設(shè)計(jì)方案往往只是滿足規(guī)范要求 的一種方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理論的重要發(fā)展，已成為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一個有力輔助工具，其設(shè)計(jì)思想的內(nèi)涵已不僅僅是追求體積最小或重量最輕，更重要的是要達(dá)到一種資源合理的優(yōu)化配置。 

2 模型建立

2.1 平臺優(yōu)化區(qū)域建模 

進(jìn)行導(dǎo)管架平臺的拓?fù)鋬?yōu)化首先要定義平臺的設(shè)計(jì)空間，在平臺的設(shè) 空間中可以根據(jù)需要隨意布置骨架材料。要定義設(shè)計(jì)空間一般需要考慮加工 等實(shí)際需要，選取盡可能大的區(qū)域，以充分挖掘優(yōu)化潛力。為避免拓?fù)鋬?yōu)化 時改變所研究導(dǎo)管架平臺的基本結(jié)構(gòu)形式，仍然需要采用下部四腿支撐，上部甲板結(jié)構(gòu)。具體優(yōu)化空間如圖 1 所示。

                                                                   圖 1 拓?fù)鋬?yōu)化空間示意圖 

2.2 材料屬性 

計(jì)算中所使用的材料 為 Q345， 材料參數(shù)如下： 彈性模量為 E=210Gpa； 泊松比 υ=0.3； 密 度 ρ=7.85×1000Kg/m3。 

2.3 環(huán)境載荷及約束 

查得 JZ20-2MUQ 平臺所處遼東灣的工作海況和極限工況如表 1，利用風(fēng)、波、流以及冰的載荷公式求出平臺所受載荷的大小 [4]。

                                                                          表 1 環(huán)境載荷條件

對 模型施加載荷和約束 ，如圖2所示，外加載荷主要考慮甲板上部的裝備重量，用質(zhì)量點(diǎn)代替，分別加載到模型的四個頂點(diǎn)上；環(huán)境載荷主要考慮極限工況下波流載荷和波浪載荷。對于模型的約束，主要是在模型底端施加四個固定約束，模型的四個面進(jìn)行對稱約束；另外考慮到甲板頂端的約束， 以極限工況下頂端的最大變形量 18mm 為約束條件。 

                                                                 圖 2 拓?fù)鋬?yōu)化空間加載圖

3 優(yōu)化結(jié)果分析 

拓?fù)鋬?yōu)化后，設(shè)計(jì)區(qū)域的單元密度值應(yīng)盡量向 0-1 的兩段逼近。這樣，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)會更清晰；同時，希望在提高 模型結(jié)構(gòu)剛度的基礎(chǔ)上減輕結(jié)構(gòu)重量，從而獲得材料分布較優(yōu)的方案，以在兼顧兩者的基礎(chǔ)上有一個合理的空間材料分布。 

本文采用 HyperWorks 的Inspire 模塊對平臺模型進(jìn)行優(yōu)化，初始設(shè)置縮減體積為 80%， 約束模型頂部的最大位移，以結(jié)構(gòu)的柔度最小為目標(biāo)。通過對模型的拓?fù)鋬?yōu)化，最后得到了較為清晰的桁架結(jié)構(gòu)。圖 3 所示為拓?fù)鋬?yōu)化后的結(jié)果。

                                                                     圖 3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果 

從 圖 3 可以看出，平臺拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果是明顯的桁架結(jié)構(gòu) ， 底部支撐結(jié)構(gòu)呈大的X 形桁架結(jié)構(gòu) ， 而且結(jié)構(gòu)清晰，傳力路徑明顯。 基于有限元的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方法得到的平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案是一個基本合理的承載結(jié)構(gòu)，從而也證明了該優(yōu)化方法的有效性。結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化作為初始的概念性設(shè)計(jì)，可為工程設(shè)計(jì)人員提供結(jié)構(gòu)優(yōu)化的參考方案，設(shè)計(jì)人員還要根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)和具體情況，做進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，才能設(shè)計(jì)出最終的產(chǎn)品。

4 可制造化處理 

進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計(jì)算得到拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果并經(jīng)分析確定拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可信后， 即可對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行可制造化處理，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)來修整拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果確定最終平臺結(jié)構(gòu)。對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行可制造化處理的路線如圖 4 所示。

                                                               圖 4 優(yōu)化結(jié)果可制造化處理流程圖

 在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可制造化處理時必須要遵循一定的原則，這樣才能 保證處理得到的優(yōu)化模型不會浪費(fèi)材料并且具有良好的可制造性 [ 5 ]。一般來 說進(jìn)行可制造化處理需要遵循的原則有： 

（ 1）對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果一些局部不合理的部分要進(jìn)行改進(jìn)。 

（ 2）盡量采用直桿取代拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果中材料彎曲的部分。 

（ 3）構(gòu)件平臺結(jié)構(gòu)時盡量選用較少的桿件 ，平臺結(jié)構(gòu)越簡單，制造起來 越簡單，而且制造成本也會降低。 

（ 4）保證平臺骨架桿件組成盡可能多的三角形結(jié)構(gòu)。 

（ 5）盡量是平臺桿件相互銜接形成封閉環(huán)形 。封閉環(huán)形桿件的抗扭性能 比開口桿件更優(yōu) 。

 按照上述原則，將優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行可制造化處理后得到的平臺結(jié)構(gòu)放 在 ANSYS 中進(jìn)行海洋流體環(huán)境中進(jìn)行仿真計(jì)算，結(jié)果顯示 ，優(yōu)化后平臺質(zhì)量減 小 3.98%，同時最大位移減小 44.36%，最大應(yīng)力由 59.6MPa 減小為 22.4MPa，優(yōu)化比例達(dá) 62.4%，有效減小平臺質(zhì)量，提高平臺強(qiáng)度。 

5 結(jié)語 

本文以平臺結(jié)構(gòu)的重量最小為目標(biāo)，施加海洋環(huán)境載荷 ，利用 Inspire 對平臺結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。根據(jù)可制造化處理原則對拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行可制造化處理， 獲得輕量化、高強(qiáng)度的導(dǎo)管架平臺結(jié)構(gòu)，最大限度的降低海上風(fēng)機(jī)的設(shè)計(jì)建造成本 。結(jié)果表明Inspire 軟件可為海洋工程結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)提供了一種新的設(shè)計(jì)思路，縮短設(shè)計(jì)周期，減少設(shè)計(jì)成本 。 

6 參考文獻(xiàn)  

[1]孔祥鼎,夏炳仁.海洋平臺建造工藝[M].北京：人民交通出版社,1993.  

[2]張大勇,李剛,岳前進(jìn).海洋平臺優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究進(jìn)展[J].海洋工程,2005,23(1):107-113.  

[3]洪清泉，趙康，張攀.OptiStruct & HyperStudy 理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用.2013.北京：機(jī)械工 業(yè)出版社，2013. 

[4]修宗祥.深水導(dǎo)管架海洋平臺安全可靠性分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].中國石油大學(xué),2010. 

[5]胡濤,肖熙.海洋平臺結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國海洋平臺,2001,1:15-20.

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