CN110414044A - 海洋导管架平台的轻量化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及海洋导管架平台，尤其是一种海洋导管架平台的轻量化设计方法。包括以下步骤：对海洋导管架平台进行初始化建模，确定初始设计域；分析海洋导管架平台所受的环境载荷；在海洋导管架平台模型上施加边界条件，边界条件包括固定约束和环境载荷；确定优化目标，以海洋导管架的最大刚度为目标，约束模型的体积；使用拓扑优化软件对海洋导管架平台进行拓扑优化；对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化；使用有限元软件分析优化前后的海洋导管架平台，并进行静态和动态性能比较；满足要求，则输出最终优化优化模型。通过该方法优化后的模型在减轻一定重量的前提下，应力和位移也都有一定程度的减小，且结构整体的应力分布更加均匀。
Description
技术领域
本发明涉及海洋导管架平台，尤其是一种海洋导管架平台的轻量化设计方法。
背景技术
随着近些年绿色经济的提出以及海上新能源的大力开发，对导管架平台的设计又提出了新的要求：提高结构性能，降低生产制造成本。对于传统海洋平台的设计制造，为保证资源开采的正常进行以及工作人员的安全，平台往往设计得较为保守，粗大而且笨重，并且整体受力不均匀；相应地，生产、安装等费用就高。而以往对平台结构的优化往往是在基于原有平台的基础上，对导管架组尺寸、位置等做有限的修整，优化的效果不是特别明显。随着近些年结构拓扑优化技术的发展，尤其是连续体的优化方面，优化速度、规模都有很大的提高。对于桁架类结构的拓扑优化，可以直接通过建立连续体模型，通过对连续体结构直接优化，得到合理的传力路径的桁架类结构，适用于海洋工程结构物的设计研究。
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，提出了一种海洋导管架平台的轻量化设计方法，通过该方法优化后的模型在减轻一定重量的前提下，应力和位移也都有一定程度的减小，且结构整体的应力分布更加均匀。
本发明的技术方案是：一种海洋导管架平台的轻量化设计方法，包括以下步骤：
(1)对海洋导管架平台进行初始化建模，确定初始设计域；
(2)分析海洋导管架平台所受的环境载荷；
(3)在海洋导管架平台模型上施加边界条件，边界条件包括固定约束和环境载荷；
(4)确定优化目标，以海洋导管架的最大刚度为目标，约束模型的体积；
(5)使用拓扑优化软件对海洋导管架平台进行拓扑优化；
(6)对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化；
(7)使用有限元软件分析优化前后的海洋导管架平台，并进行静态和动态性能比较；
(8)满足要求，则输出最终优化优化模型，若不符合要求，重复步骤(5)至(7)，直到符合要求。
本发明中，所述海洋导管架平台包括四根桩腿支撑，桩腿支撑不垂直于地面，桩腿支撑的截面呈梯形，桩腿支撑的顶部设置有顶部横撑，顶部横撑的上方固定有平台，桩腿支撑的中部沿高度方向间隔设有数个横撑，上、下横撑之间通过斜撑连接；
所述海洋导管架平台模型包括桩腿支撑和固定在桩腿支撑顶部的横撑。
步骤(2)中，所述环境载荷包括海风载荷、波浪载荷和海流载荷，其中单位面积的海风载荷为
Pf＝0.613v2(Pa)
式中v为设计风速(m/s)；
所述作用于水下单位面积的拖曳力载荷为
式中CD为拖曳力系数，大小常取1；ρ为海水密度，常取值为1025kg/m3；UC为流速(m/s)，
所述平台杆件在波浪载荷区单位长度的波浪载荷为
式中ρ为海水密度，常取值为1025kg/m3；ux和分别为与平台杆件轴向垂直的相对速度和加速度矢量，根据斯托克斯五阶波求解得到；CM为惯性力系数，大小常取1.6；CD为拖曳力系数，大小常取1。
所述步骤(4)中刚度优化的数学模型为：
式中：U表示海洋导管架平台模型整体位移矩阵，F表示海洋导管架平台模型整体力矩阵，K表示海洋导管架平台模型整体刚度矩阵，ue和ke分别表示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(3)中，土壤对桩腿支撑的作用简化为固定约束，因此对海洋导管架平台模型的约束主要是在模型底端施加四个固定约束点，模型的四个面进行对称约束。
步骤(3)中，海风载荷作用于导管架上方的海洋装备和设计域高于海平面的部分，波浪载荷作用于设计域位于海平面处的部分，海流载荷作用于设计域低于海平面的部分；对于导管架上方的海洋装备所受的海风载荷，首先将重力简化为等效质量点添加到四个桩腿支撑的上方，然后将海洋装备受到的海风载荷加载到设计域的横撑上，并附加力矩。
步骤(5)中，采用变密度法进行拓扑优化，通过调整公式(1)中的密度阈值得到海洋导管架平台模型，拓扑优化包括以下步骤：
(1)调整密度阈值，优化出斜撑结构；
(2)将斜撑隐藏，调整密度阈值，优化出横撑结构；
(3)将上述步骤(1)得到的斜撑结构、步骤(2)得到的横撑结构和顶部横撑上方的平行结合，形成拓扑优化得到的海洋导管架平台模型。
步骤(6)中，对步骤(5)拓扑优化得到的海洋导管架平台模型，假设海洋导管架平台模型中导管架的尺寸，将尺寸数值输入ANSYS软件，对重建的模型进行形状和尺寸优化。
本发明的有益效果：
通过本发明所述的方法优化后的模型应力和位移都有很大程度的降低，而且相比于优化前的模型，优化后的模型的应力分布更加均匀，位移的局部变形量变小，满足了轻量化的要求，同时保证了应力和位移。
附图说明
图1是本发明中海洋导管架平台模型的结构示意图；
图2是海洋导管架平台模型的载荷分布图；
图3是海洋导管架平台模型重建的过程图；
图4是海洋导管架平台模型的最终设计图。
图中：1桩腿支撑；2顶部横撑；3设计域；4海风载荷；5波浪载荷；6海流载荷；7固定约束点；8等效质量点。
具体实施方式
为了使本发明的上述目的、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。
本发明为一种海洋导管架平台的轻量化设计方法，本实施例采用JZ20-2MUQ平台，对本发明的具体步骤进行详细说明。
第一步，利用HyperMesh软件对海洋导管架平台进行初始化建模，确定初始设计域，建立如图1所示的三维连续体海洋导管架平台模型。
所述海洋导管架平台包括四根桩腿支撑1，桩腿支撑1不垂直于地面，桩腿支撑1的截面呈梯形，桩腿支撑1的顶部设置有顶部横撑2，顶部横撑2的上方固定有平台，桩腿支撑1的中部沿高度方向间隔设有数个横撑，上、下横撑之间通过斜撑连接。初始化建模中，海洋导管架平台模型包括桩腿支撑和固定在桩腿支撑顶部的横撑，即本发明是对由顶部横撑2和桩腿支撑1组成的设计域3进行优化设计。
第二步，分析并计算海洋导管架平台模型所受的环境载荷。
本实例中采用在极限工况下的海风载荷、波浪载荷、海流载荷对海洋导管架平台模型进行拓扑优化分析。下面对单位面积的海风载荷、波浪载荷和海流载荷进行分析和计算。
单位面积的海风载荷为根据规定规范的风压Pf，
Pf＝0.613v2(Pa)
式中：v为设计风速(m/s)。
单位面积的海流载荷应考虑流速和波浪水质点水平速度叠加后产生的拖曳力，作用于水下单位面积的拖曳力载荷为
式中：CD为拖曳力系数，大小常取1；ρ为海水密度，常取值为1025kg/m3；UC为流速(m/s)。
单位面积的波浪载荷计算时，由于海洋导管架平台模型属于平台杆件，因此对小尺度构件单位长度上的波浪力和海流力进行计算。用莫里森公式计算拖曳力和惯性力后，再按同相位合成，合成后得到的平台杆件在波浪载荷区单位长度的波浪载荷为
式中：ρ为海水密度，常取值为1025kg/m3；ux和分别为平台杆件轴向垂直的相对速度和加速度矢量，根据斯托克斯五阶波求解得到；CM为惯性力系数，大小常取1.6；CD为拖曳力系数，大小常取1。
第三步，在海洋导管架平台模型上施加边界条件，边界条件包括固定约束和环境载荷。
在海洋导管架平台模型上施加边界条件如图2所示。土壤对桩腿支撑的作用简化为固定约束，因此本发明中对于海洋导管架平台模型的约束，主要是在模型底端施加四个固定约束点7，模型的四个面进行对称约束。
海洋导管架平台模型的环境载荷包括海风载荷4、波浪载荷5和海流载荷6，下面分别对三种载荷的受力位置进行分析。海风载荷4主要作用于导管架上方的海洋装备和设计域高于海平面的部分，波浪载荷5主要作用于设计域位于海平面的部分，海流载荷6主要作用于设计域低于海平面的部分。对于导管架上方的海洋装备所受的海风载荷，首先将重力简化为等效质量点8添加到四个桩腿支撑的上方，然后将海洋装备受到的海风载荷加载到设计域的横撑上，并附加力矩。
第四步，确定优化目标，以海洋导管架的最大刚度为目标，约束模型的体积。
本发明以结构的刚度最大化，作为优化的目标函数，以结构整体的体积约束作为优化的约束条件。刚度优化的数学模型表示为：
式中：U表示海洋导管架平台模型整体位移矩阵，F表示海洋导管架平台模型整体力矩阵，K表示海洋导管架平台模型整体刚度矩阵，ue和ke分别表示海洋导管架平台模型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。
第五步，使用拓扑优化软件对海洋导管架平台进行拓扑优化。
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，即第四步数学模型中的x，得到重建后的海洋导管架平台模型，如图4所示，拓扑优化包括以下步骤：
(1)调整密度阈值，优化出斜撑结构，此时密度阈值如图所示为0.515；
(2)将上述步骤得到的斜撑隐藏，再次调整密度阈值，单独优化出横撑结构，本实施例中当密度阈值为如图所示0.328的时候，横撑出现清晰的结构；
(3)将上述步骤(1)得到的斜撑结构、步骤(2)得到的横撑结构和顶部横撑上方的平台结合，得到拓扑优化后的海洋导管架平台模型。
第六步，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海洋导管架平台，假设海洋导管架平台模型中导管架的尺寸，导管的直径、壁厚等尺寸数值，将上述数值输入ANSYS软件，对重建的模型进行形状和尺寸优化，优化的目的是使海洋导管架平台模型的形状和尺寸更加完善，轻量化，体积最小。
第七步，使用有限元软件分析优化前后的海洋导管架平台，并进行静态和动态性能比较。
采用真实的海洋环境参数，利用ANSYS软件，对比分析初始设计的设计域模型与经过第七步优化后的设计域模型的静态性能和动态性能。
第八步，经第七步的比较分析，如果优化后得到的设计域模型满足要求，则输出最终优化优化模型，若不符合要求，重复步骤五至七，一直到符合要求为止。
本发明中，对设计优化得到的设计域模型的最终要求是：体积小、重量轻，整个海洋导管架平台模型的位移量和应力减小。
本实施中，通过本发明所述的方法优化后的导管架平台总重减少了3.98％，最大位移减少44.36％，最大应力减少62.4％。
以上对本发明所提供的海洋导管架平台的轻量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)
1.一种海洋导管架平台的轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)对海洋导管架平台进行初始化建模，确定初始设计域；
(2)分析海洋导管架平台所受的环境载荷；
(3)在海洋导管架平台模型上施加边界条件，边界条件包括固定约束和环境载荷；
(4)确定优化目标，以海洋导管架的最大刚度为目标，约束模型的体积；
(5)使用拓扑优化软件对海洋导管架平台进行拓扑优化；
(6)对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化；
(7)使用有限元软件分析优化前后的海洋导管架平台，并进行静态和动态性能比较；
(8)满足要求，则输出最终优化优化模型，若不符合要求，重复步骤(5)至(7)，直到符合要求。
2.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法，其特征在于，所述海洋导管架平台包括四根桩腿支撑，桩腿支撑不垂直于地面，桩腿支撑的截面呈梯形，桩腿支撑的顶部设置有顶部横撑，顶部横撑的上方固定有平台，桩腿支撑的中部沿高度方向间隔设有数个横撑，上、下横撑之间通过斜撑连接；
所述海洋导管架平台模型包括桩腿支撑和固定在桩腿支撑顶部的横撑。
3.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法，其特征在于，步骤(2)中，所述环境载荷包括海风载荷、波浪载荷和海流载荷，其中单位面积的海风载荷为
Pf＝0.613v2(Pa)
式中v为设计风速(m/s)；
所述作用于水下单位面积的拖曳力载荷为
式中CD为拖曳力系数，大小常取1；ρ为海水密度，常取值为1025kg/m3；UC为流速(m/s)，
所述平台杆件在波浪载荷区单位长度的波浪载荷为
式中ρ为海水密度，常取值为1025kg/m3；ux和分别为与平台杆件轴向垂直的相对速度和加速度矢量，根据斯托克斯五阶波求解得到；CM为惯性力系数，大小常取1.6；CD为拖曳力系数，大小常取1。
4.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤(4)中刚度优化的数学模型为
式中U表示海洋导管架平台模型整体位移矩阵，F表示海洋导管架平台模型整体力矩阵，K表示海洋导管架平台模型整体刚度矩阵，ue和ke分别表示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。
5.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法，其特征在于，步骤(3)中，对海洋导管架平台模型的约束是在模型底端施加四个固定约束点，模型的四个面进行对称约束。
6.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法，其特征在于，步骤(3)中，海风载荷作用于导管架上方的海洋装备和设计域高于海平面的部分，波浪载荷作用于设计域位于海平面处的部分，海流载荷作用于设计域低于海平面的部分；
对于导管架上方的海洋装备所受的海风载荷，首先将重力简化为等效质量点添加到四个桩腿支撑的上方，然后将海洋装备受到的海风载荷加载到设计域的横撑上，并附加力矩
7.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法，其特征在于，步骤(5)中，采用变密度法进行拓扑优化，通过调整公式(1)中的密度阈值x得到海洋导管架平台模型，拓扑优化包括以下步骤：
(1)调整密度阈值，优化出斜撑结构；
(2)将斜撑隐藏，调整密度阈值，优化出横撑结构；
(3)将上述步骤(1)得到的斜撑结构、步骤(2)得到的横撑结构和顶部横撑上方的平台结合，得到拓扑优化后的海洋导管架平台模型。
8.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法，其特征在于，步骤(6)中，对步骤(5)拓扑优化得到的海洋导管架平台模型，假设海洋导管架平台模型中导管架的尺寸，将尺寸数值输入ANSYS软件，对重建的模型进行形状和尺寸优化。
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| Manolis | National Technical University of Athens |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20191105 |
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| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |