CN110390134A - 自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自升式海洋平台桩腿，尤其是一种自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法。该方法包括以下步骤：建立自升式海洋平台桩腿初始设计域，将建立好的自升式海洋平台桩腿初始设计域导入优化软件进行网格划分，赋予设计域材料和属性；分析自升式海洋平台桩腿初始设计域的环境，确定自升式海洋平台桩腿初始设计域的环境载荷；确定自升式海洋平台桩腿初始设计域的边界条件，所述边界条件包括固定约束和环境载荷；在OptiStruct拓扑优化软件中采用变密度法对自升式海洋平台桩腿初始设计域进行拓扑优化；对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化。其在保证结构刚度和强度的同时，减小了桩腿的质量，增加桩腿的寿命。
Description
技术领域
本发明涉及自升式海洋平台桩腿，尤其是一种自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法。
背景技术
海洋平台桩腿的设计要不断的进行“试算-验证-修改”，需要投入大量的人力和物力，但是最终的方案可能只是满足规范的一种，并不是最好的。随着结构设计理论的发展，研究者对结构优化理论的研究不仅停留在对结构尺寸或形状的优化，而是达到了寻求最优的资源配置这一更高层面的研究。拓扑优化技术是解决该问题的重要手段，结构的拓扑形式不仅决定了结构所占空间的大小和结构重量，而且直接影响结构的受力性。因此对桩腿结构进行拓扑优化可获得更优的设计，在寻求降低造价的同时提高结构可靠性。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，其在保证结构刚度和强度的同时，减小了桩腿的质量，增加桩腿的寿命。
本发明的技术方案是：一种自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，包括以下步骤：
(1)建立自升式海洋平台桩腿初始设计域，将建立好的自升式海洋平台桩腿初始设计域导入优化软件进行网格划分，赋予设计域材料和属性；所述自升式海洋平台桩腿初始设计域为三棱柱实体；
(2)分析自升式海洋平台桩腿初始设计域的环境，确定自升式海洋平台桩腿初始设计域的环境载荷；
(3)确定自升式海洋平台桩腿初始设计域的边界条件，所述边界条件包括固定约束和环境载荷；
(4)在OptiStruct拓扑优化软件中采用变密度法对自升式海洋平台桩腿初始设计域进行拓扑优化；
(5)对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化。
本发明中，所述自升式海洋平台桩腿初始设计域为三棱柱实体。
步骤(2)中，所述环境载荷包括风载荷、海流载荷、波浪载荷和海冰载荷，上述载荷以同一方向入射，
所述单位面积的波浪载荷为
Fw＝FD+FI
式中Fw为作用在单位长度桩腿上的波浪力，FD为单位长度拖曳力，FI为单位长度上的惯性力；其中
式中ρ为流体密度(Kg/m3)，v为设计流速(m/s)，A为构件在与流向垂直的平面上的投影面积(m2)，ux为水质点的水平速度(m/s)，为水质点的水平加速度(m/s2)；
所述单位面积的海流载荷为
式中Fc为海流力作用在桩腿上的总力，W为水的密度(kg/m3)，g为重力加速度(9.8m/s2)，D为桩腿的直径(m)，S为水面自海底以上的高度(m)，CD为阻力系数，u为海流速度(m/s)，dz为垂直方向的长度增量(m)；
所述风载荷为受风构件的正投影面积乘以风压Pf，其中
Pf＝0.613v2
式中Pf为基本风压(Pa)，v为设计风速(m/s)，风载荷
FW＝KKZβZαv2A
式中FW为作用于结构物上的风载荷(N)，A为结构物正投影面积(m2)，K为风载体型系数，KZ风压高度变化系数，βZ为Z高度处的风振系数，α为风压系数，通常取0.613N·s2/m4，v为设计风速(m/s)，A为结构物正投影面积(m2)；
所述海冰载荷为
F＝mK1K2Rjbh
式中F为冰压力(KN)，m为桩柱形系数，通常取0.9，K1为局部挤压系数，K2为桩柱与冰层的接触系数，一般取0.3，Rj为冰块式样的极限抗压强度(KN/m2)，b为桩柱宽度(m)，h为冰层计算厚度(m)。
采用Stokes五阶波浪理论，计算出海流载荷和波浪载荷的耦合载荷，通过三次方程将波流力曲线拟合，得到波流力拟合方程
F＝0.0056x3+2x2+250x+1300
式中x为水深(m)。
本发明中，自升式海洋平台桩腿的下端与桩靴连接，因此桩腿底部模拟桩靴对桩腿的约束作用，在自升式海洋平台桩腿初始设计域的底部设置固定约束点。
所述海平面以上施加海风载荷，海平面以下施加波流载荷，海平面处施加冰载荷，将平台主体及设备重量平均到三根桩腿上，并施加在模型顶部的质量点；将平台主体所受风载传递到桩腿的部分作为平台倾覆力施加在质量点。
步骤(4)中，在对桩腿进行拓扑优化设计时，以单元密度为设计变量，体积和位移为约束，桩腿刚度最大为目标建立平台桩腿拓扑优化的数学模型为
式中，U表示自升式海洋平台桩腿初始设计域整体位移矩阵，F表示自升式海洋平台桩腿初始设计域整体力矩阵，K表示自升式海洋平台桩腿初始设计域整体刚度矩阵，ue和ko分别表示自升式海洋平台桩腿初始设计域单元的位移矢量和刚度矩阵，x表示设计变量的向量，xmin是相对密度的最小向量，N是设计区域离散化的单元数量，p是惩罚因子，V(x)和V0是材料体积和设计区域体积，f为规定的容积率。
步骤(5)中，根据拓扑优化得到的模型，确定尺寸，利用ANSYS软件重新建模，对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化。
本发明的有益效果：本发明采用先进的优化技术寻求最优的结构类型，基于变密度法对自升式海洋平台桩腿进行拓扑优化设计，在保证结构性能的同时减小设计质量；通过对自存工况下的波流载荷进行耦合计算和在拓扑软件中加载按函数规律分布的载荷，得到一种新的结构形式，经过优化使结构质量得到明显降低，又能保证结构的刚度和强度要求，增加桩腿结构的疲劳寿命。
附图说明
图1(a)是自升式海洋平台桩腿的结构示意图；
图1(b)是自升式海洋平台桩腿初始设计域的结构示意图；
图2是自升式海洋平台桩腿初始设计域在海洋环境下的受载图；
图3是优化求解迭代步数图；
图4是拓扑优化后导出的自升式海洋平台桩腿的结构图；
图5是通过该方法得到的自升式海洋平台桩腿的模型。
图中：1风载荷；2波浪载荷；3冰载荷；4海流载荷；5固定约束点；6主船体；
具体实施方式
为了是本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。
本发明公开了一种自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，本实施例以海洋平台JU2000E的桩腿为例，详细介绍该方法包括以下步骤。
第一步，在Solidworks三维软件里建立自升式海洋平台桩腿初始设计域，将建立好的自升式海洋平台桩腿初始设计域导入HyperMesh优化软件进行网格划分，模型网格单元尺寸为1m，赋予设计域材料和属性。
如图1(a)所示，自升式海洋平台桩腿为由弦杆、横撑和斜撑焊接而成的桁架式结构，该模型包括三根沿竖直方向设置的弦杆，三个弦杆排列后的截面为三角形，三弦杆之间通过水平设置的横撑固定连接，沿弦杆的竖直方向间隔设置数根横撑，各横撑之间通过斜撑连接。如图1(b)所示，自升式海洋平台桩腿初始设计域为三棱柱形实体。
第二步，分析自升式海洋平台桩腿初始设计域的环境，确定自升式海洋平台桩腿初始设计域的环境载荷。
海洋结构物的主要特点之一是承受海洋环境所带给的载荷，为使平台具有抵抗恶劣环境条件的性能，以平台自存工况下的环境条件进行设计。环境荷载以五十年一遇为设计标准，载荷组合假设风载荷1、海流载荷4、波浪载荷2和冰载荷3以同一方向入射。
在海洋工程结构物波浪载荷计算中，将结构物根据特征尺度D与波长L的比值分为小尺度物体和大尺度物体。一般以D/L≤0.2作为小尺度物体；D/L>0.2称为大尺度物体。大尺度物体必须考虑绕射效应，即物体的自由表面效应和相对尺度效应。
由于本发明所述的自升式海洋平台桩腿属于小尺度构件，可采用莫里森方程进行单位面积的波浪载荷计算：
Fw＝FD+FI
式中：Fw为作用在单位长度桩腿上的波浪力；FD为单位长度拖曳力；FI为单位长度上的惯性力。其中
式中：ρ为流体密度(Kg/m3)；v为设计流速(m/s)；A为构件在与流向垂直的平面上的投影面积(m2)；ux为水质点的水平速度(m/s)；为水质点的水平加速度(m/s2)。
单位面积的海流载荷为
式中：Fc为海流力作用在桩腿上的总力；W为水的密度(kg/m3)；g为重力加速度(9.8m/s2)；D为桩腿的直径(m)；S为水面自海底以上的高度(m)；CD为阻力系数；u为海流速度(m/s)；dz为垂直方向的长度增量(m)。
风速只有在限定高程和持续时间下才有意义，风速和方向随空间和时间不断变化，对于典型的较大的海洋结构，其水面以上的平台主体部分载荷很大，并且有动力效应。根据规定规范的风压Pf的计算公式，对于海洋结构物所受风载的大小，可以由受风构件的正投影面积乘以风压得到。
Pf＝0.613v2
式中：Pf为基本风压(Pa)，v为设计风速(m/s)。
FW＝KKZβZαv2A
式中：FW为作用于结构物上的风载荷(N)；A为结构物正投影面积(m2)；K为风载体型系数；KZ风压高度变化系数；βZ为Z高度处的风振系数；α为风压系数，通常取0.613N·s2/m4；v为设计风速(m/s)；A为结构物正投影面积(m2)。
对于冰载荷，巨大的冰原对平台产生挤压力和流冰的冲击作用是使平台遭到损坏和破坏的主要原因。在挤压过程中，大面积冰层破碎前的瞬间，作用在平台下部结构结构上的挤压力达到最大值。海冰载荷的计算公式为
F＝mK1K2Rjbh
式中：F为冰压力(KN)；m为桩柱形系数，通常取0.9；K1为局部挤压系数；K2为桩柱与冰层的接触系数，一般取0.3；Rj为冰块式样的极限抗压强度(KN/m2)；b为桩柱宽度(m)；h为冰层计算厚度(m)。
第三步，确定自升式海洋平台桩腿初始设计域的边界条件，所述边界条件包括固定约束和环境载荷。
如图2所示，自升式海洋平台桩腿的下端与桩靴连接，因此桩腿底部模拟桩靴对桩腿的约束作用，在自升式海洋平台桩腿初始设计域的底部施加固定约束点5。桩腿的最大位移和最大应力在桩腿顶端，对桩腿顶端节点的位移量和最大应力值进行约束。
本实施例中，其工作水深122米，海流流速随水深增大而减小，为准确反映桩腿受载情况，不再做简化处理，采用Stokes五阶波浪理论，计算出波流耦合载荷，得到波流载荷随水深及周期变化的载荷图，取T3/4时的波流载荷随水深变化的曲线，并通过三次方程将波流力曲线(即同时包括波浪载荷和海流载荷)拟合，得到波流力拟合方程
F＝0.0056x3+2x2+250x+1300
式中x为水深(m)。
为最大限度的发掘优化潜力，寻找桩腿的最优结构，选择桩腿的优化空间为连续体结构，海平面以上施加海风载荷，海平面以下施加波流载荷，海平面处施加冰载荷。将第二步中的风载荷和本步骤中得到的波流耦合出的载荷方程，通过在优化软件中建立局部坐标系，施加上述函数规律分布的压力载荷；将平台主体及设备重量平均到三根桩腿上，并施加在模型顶部的质量点；将平台主体所受风载传递到桩腿的部分作为平台倾覆力施加在质量点。图2为自升式海洋平台桩腿初始模型在海洋环境下的受载图。
第四步，在OptiStruct拓扑优化软件中采用变密度法对自升式海洋平台桩腿初始设计域进行拓扑优化。
在对自升式海洋平台桩腿初始设计域进行拓扑优化设计时，对桩腿最大位移处的节点位移量为约束，为保证桩腿的可靠性，对桩腿的极限应力值进行约束；为实现桩腿的轻量化设计，优化过程中出现桁架结构，对优化的体积分数进行约束。优化目标是在保证各个约束参数的前提下，使优化后桩腿的刚度达到最大，以得到节省材料和加工制造成本，满足经济型和实用性的桩腿结构。
以单元密度为设计变量，体积和位移为约束，桩腿刚度最大为目标建立平台桩腿拓扑优化的数学模型为
式中，U表示自升式海洋平台桩腿初始设计域整体位移矩阵，F表示自升式海洋平台桩腿初始设计域整体力矩阵，K表示自升式海洋平台桩腿初始设计域整体刚度矩阵，ue和k0分别表示自升式海洋平台桩腿初始设计域单元的位移矢量和刚度矩阵，x表示设计变量的向量，xmin是相对密度的最小向量，N是设计区域离散化的单元数量，p是惩罚因子，V(x)和V0是材料体积和设计区域体积，f为规定的容积率。
本实施例中，采用OptiStruct软件作为拓扑优化软件，采用变密度法和MMA数值求解方法进行海洋导管架平台模型的拓扑优化。通过在优化软件中建立局部坐标系，根据第二步中分析的各环境载荷的载荷方程、以及第三步中分析的各载荷的施加位置，施加按照函数规律分布的压力载荷。
通过调整密度阈值，即数学模型中的x，使海洋平台桩腿初始设计域的结构逐渐清晰，得到重建后的海洋平台桩腿设计域。
第五步，对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化。
通过第五步的拓扑优化仅仅得到了设计域的结构形式。在本步骤中，为了使模型更加接近真实的自升式海洋平台桩腿，根据拓扑优化得到的模型，确定尺寸，并利用ANSYS软件利用命令流的方式重新建模，对拓扑优化得到的设计域进行形状和尺寸优化，优化后的自升式海洋平台桩腿的模型图如图5所示。该结构的底部呈X型，具有X型桩腿的结构特点，上部呈折线形，且折线密度逐渐减小。
优化后的桩腿重56.9t，相较于原桩腿的91.5t减重比例达到40％。在波浪载荷的作用下，优化桩腿的最大位移为0.134898，而原桩腿的最大位移量为0.22316，在相同的载荷工况下，最大位移量减小40％，明显提高桩腿的刚度。优化桩腿的最大应力为45.9MPa，相比原桩腿的最大值78MPa减小41.2％，说明桩腿经拓扑优化后，得到了最优的传力路径，有效减最大应力值，使桩腿趋于均匀受载，对提高桩腿疲劳寿命具有重要意义。
以上对本发明所提供的自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (8)
1.一种自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)建立自升式海洋平台桩腿初始设计域，将建立好的自升式海洋平台桩腿初始设计域导入优化软件进行网格划分，赋予设计域材料和属性；
(2)分析自升式海洋平台桩腿初始设计域的环境，确定自自升式海洋平台桩腿初始设计域的环境载荷；
(3)确定自升式海洋平台桩腿初始设计域的边界条件，所述边界条件包括固定约束和环境载荷；
(4)在OptiStruct拓扑优化软件中采用变密度法对模型进行拓扑优化；
(5)对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化。
2.根据权利要求1所述的自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，其特征在于：所述自升式海洋平台桩腿初始设计域为三棱柱实体。
3.根据权利要求1所述的自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤(2)中，所述环境载荷包括风载荷、海流载荷、波浪载荷和海冰载荷，上述载荷以同一方向入射，
所述单位面积的波浪载荷为
Fw＝FD+FI
式中Fw为作用在单位长度桩腿上的波浪力，FD为单位长度拖曳力，FI为单位长度上的惯性力；其中
式中ρ为流体密度(Kg/m3)，v为设计流速(m/s)，A为构件在与流向垂直的平面上的投影面积(m2)，ux为水质点的水平速度(m/s)，水质点的水平加速度(m/s2)；
所述单位面积的海流载荷为
式中Fc为海流力作用在桩腿上的总力，W为水的密度(kg/m3)，g为重力加速度(9.8m/s2)，D为桩腿的直径(m)，S为水面自海底以上的高度(m)，CD为阻力系数，u为海流速度(m/s)，dz为垂直方向的长度增量(m)；
所述风载荷为受风构件的正投影面积乘以风压Pf，其中
Pf＝0.613v2
式中Pf为基本风压(Pa)，v为设计风速(m/s)，风载荷
FW＝KKZβZαv2A
式中FW为作用于结构物上的风载荷(N)，A为结构物正投影面积(m2)，K为风载体型系数，KZ风压高度变化系数，βZ为Z高度处的风振系数，α为风压系数，通常取0.613N·s2/m4，v为设计风速(m/s)，A为结构物正投影面积(m2)；
所述海冰载荷为
F＝mK1K2Rjbh
式中F为冰压力(KN)，m为桩柱形系数，通常取0.9，K1为局部挤压系数，K2为桩柱与冰层的接触系数，一般取0.3，Rj为冰块式样的极限抗压强度(KN/m2)，b为桩柱宽度(m)，h为冰层计算厚度(m)。
4.根据权利要求1所述的自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，其特征在于：采用Stokes五阶波浪理论，计算海流载荷和波浪载荷的耦合载荷，通过三次方程将波流力曲线拟合，得到波流力拟合方程
F＝0.0056x3+2x2+250x+1300
式中x为水深(m)。
5.根据权利要求1所述的自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，其特征在于：自升式海洋平台桩腿的下端与桩靴连接，因此桩腿底部模拟桩靴对桩腿的约束作用，在自升式海洋平台桩腿初始设计域的底部设置固定约束点。
6.根据权利要求1所述的自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，其特征在于：所述海平面以上施加海风载荷，海平面以下施加波流载荷，海平面处施加冰载荷，将平台主体及设备重量平均到三根桩腿上，并施加在模型顶部的质量点；将平台主体所受风载传递到桩腿的部分作为平台倾覆力施加在质量点。
7.根据权利要求1所述的自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤(4)中，在对桩腿进行拓扑优化设计时，以单元密度为设计变量，体积和位移为约束，桩腿刚度最大为目标建立平台桩腿拓扑优化的数学模型为
式中，U表示自升式海洋平台桩腿初始设计域整体位移矩阵，F表示自升式海洋平台桩腿初始设计域整体力矩阵，K表示自升式海洋平台桩腿初始设计域整体刚度矩阵，ue和k0分别表示自升式海洋平台桩腿初始设计域单元的位移矢量和刚度矩阵，x表示设计变量的向量，xmin是相对密度的最小向量，N是设计区域离散化的单元数量，p是惩罚因子，V(x)和V0是材料体积和设计区域体积，f为规定的容积率。
8.根据权利要求1所述的自升式海洋平台桩腿的拓扑优化设计方法，其特征在于：步骤(5)中，根据拓扑优化得到的模型，确定尺寸，利用ANSYS软件重新建模，对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化。
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2019
- 2019-06-17 CN CN201910520094.8A patent/CN110390134A/zh active Pending
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