CN1583504A

CN1583504A - 多成分锚泊系统优化设计方法

Info

Publication number: CN1583504A
Application number: CN 200410024881
Authority: CN
Inventors: 余龙; 谭家华
Original assignee: Shanghai Jiaotong University
Current assignee: Shanghai Jiaotong University
Priority date: 2004-06-03
Filing date: 2004-06-03
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2024-06-03
Also published as: CN1284700C

Abstract

本发明提出一种多成分锚泊系统优化设计方法，可有效解决多成分锚泊线设计参数确定问题。首先回归出锚泊线组成成分材料的共性特征，并建立优化模型，求解单根锚泊线的最小重量。然后，求解多成分锚泊线悬链线方程，得各材料成分的长度。最后，不同的材料成分作多次迭代计算，得到最优设计参数值，并将结果作成曲线图谱，供设备选择。本发明的方法提供了一种设计锚泊系统参数的优化策略，解决了在多成分锚泊系统设计中各种材料参数及其组合优选的问题，提高了设计科学性、可靠性。

Description

多成分锚泊系统优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种海洋浮式结构物的锚泊系统优化设计方法，适用于多成分锚泊线组成的锚泊系统，也可用于单一成分锚泊线组成锚泊系统的分析。属于海洋工程应用领域。

背景技术

海洋结构物的定位方式最普遍的是采用锚泊系统，近年来，随着深水油气开采的开发，锚链、金属绳、纤维绳等多种材料成分组成锚泊线，配以吸力锚、轻型锚等多点布置形式的锚泊系统应用日趋广泛。然而，材料的增多给锚泊设计带来困难，传统的单一材料组成的锚泊线变为由多种材料组成单根锚泊线，多种材料的重量、长度参数及其组合优化问题复杂，难以确定合理的锚泊线设计参数。对这类锚泊系统的设计通常采用的设计方法是通过参考已有海洋结构物的锚泊系统凭经验选取锚泊线参数，通过悬链线方程组(Russell J.Smith and Colin J.MacFarlane，Statics of a three component mooring line，Ocean Engineering，2001(28)，899-914.)的计算求解，进行锚泊系统的设计。此外，基于悬链线方程开发的一些锚泊系统计算的软件，比如国外比较著名的海洋工程锚泊系统设计软件MIMOSA能优化多成分锚泊线上的张力，降低单根锚泊线的最大张力。这些方法或软件都有一个共同的缺陷，即对已有锚泊系统和多成分锚泊线参数进行计算和优化，但是这些参数如何得到，目前还没有一种科学可靠的设计方法。传统的经验分析方法在实际设计中由于人为因素可能造成错误，尤其是对于深水锚泊，可用作参考的海上锚泊结构物资料少，因而经验方法的可靠性大大降低。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提出一种新的用于多成分锚泊系统优化设计方法，在分析多成分锚泊线参数对整个锚泊系统的影响基础上，有效解决锚泊系统设计参数确定问题，提高设计科学性、可靠性，易于在计算机上实现。

本发明的技术方案中：首先，确定锚泊线组成材料的单位长度重量与断裂强度、单位长度重量与单位长度价格的关系。第二，建立最小锚泊线重量优化模型，确定单根锚泊线的最小重量。第三，确定采用的材料的种数，选择一组各成分的单位长度重量数值，结合锚泊线最小重量确定多成分锚泊线悬链线方程，求解得到多成分锚泊线的各材料的长度和锚泊系统的总回复力。第四，选择材料的单位长度重量的取值范围，对每一组值进行计算即重复步骤3，得成本最小的锚泊线设计参数。并将各种材料单位长度重量的变化对总回复力和总成本的影响作图，形成设计曲线图谱，供选择设备使用。

本发明的方法具体包括以下几个步骤：

1.确定锚泊线组成材料的共性特征

从各种锚泊线材料的产品信息拟合出材料的单位长度重量与断裂强度、单位长度重量与单位长度价格的二次函数关系。

2.确定最小锚泊线重量

以锚泊线的水平刚度系数和锚泊线的成本为两个优化目标，建立最小锚泊线重量优化模型，求解得到单根锚泊线的最小重量。

3.确定采用的材料种数、锚泊线各成分的长度和系统回复力

确定采用的材料的种数，选择一组各成分的单位长度重量数值，结合锚泊线最小重量确定多成分锚泊线悬链线方程组，采用线性规划方法求解，得到多成分锚泊线的各成分的长度。随后，根据平面非汇交力系计算得到系统的回复力。

4.确定最优设计参数，并建立设备选择图谱

选择材料的单位长度重量变化范围，对每一组值进行计算即重复步骤3，得成本最小的锚泊线设计参数。将各成分单位长度重量的变化对系统回复力及总成本的影响作图，形成设计曲线图谱，在设备选择时使用，直接在图中查找相应参数。

本发明的方法提供了科学的确定锚泊系统参数的策略，解决了在多成分锚泊系统设计中各种材料参数及其组合优选的问题。本发明提出的优化方法模型简洁，通过最小重量的确定巧妙解决了多参数的交互影响问题，为锚泊系统的设计提供合理初值，避免了不合理的选择可能造成的错误。算法便于在计算机上实现，工作效率较高。

附图说明

图1为某材料单位长度重量与单位长度价格关系示意图

图2为某材料单位长度重量与断裂强度关系示意图

图3为多成分锚泊线悬链线示意图。

图4为二成分锚泊系统的设计结果及图谱示意图

具体实施方式

为了更好地理解本发明的技术方案，以下结合附图和实施例作进一步的详细描述。

为更好的描述，先规定符号如下，可参考图3：

L_i、S_i、h_i——第i段(成分)锚泊线的线长度、水平长度、竖直长度；

j——取值范围从1～M，M为锚泊系统锚泊线的根数；

i——取值范围从1～N，N为单根锚泊线材料种数；

Q_J——单根锚泊线提供的水平力；

W_k——第k段锚泊线倾角单位长度重量。

第一步：确定锚泊线组成材料的共性特征

确定锚泊线材料的单位长度重量与断裂强度和单位长度价格的二次关系。如图1、图2分别为某种锚链的单位长度重量与单位长度价格、单位长度重量与断裂强度的关系示意图。

第二步：确定最小锚泊线重量

以最大化锚泊线的水平刚度系数k_J和最小化锚泊线的成本Cost为两个优化目标：

目标1：最大锚泊线水平刚度系数

k_{J} = \frac{{dQ}_{J}}{dδ} = \frac{\overset{&OverBar;}{W}}{2 (\frac{\overset{&OverBar;}{W}}{{\overset{&OverBar;}{W}}^{'}} Z - \tanh Z)} - - - (1)

其中：

Z = \frac{Σ_{i = 1}^{N} W_{i} S_{i}}{2 q Σ_{i = 1}^{N} W_{i} h_{i}},

q = \frac{Q_{J}}{Σ_{i = 1}^{N} W_{i} h_{i}},

\overset{&OverBar;}{W} = \frac{Σ_{i = 1}^{N} W_{i} L_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} L_{i}},

{\overset{&OverBar;}{W}}^{'} = \frac{Σ_{i = 1}^{N} W_{i} S_{i}}{Σ_{i = 1}^{N} S_{i}}

目标2：最小造价

min Cost＝单位长度成本×总长度+安装成本

＝单位重量成本×单位长度重量×总长度+安装成本 (2)

＝∑W_iL_i·price_i+Cost_install

综合得到最小重量模型为：

\min function = Δλ / λ - - - (3)

其中：

λ = Σ_{i = 1}^{N} W_{i} L_{i} / (Q_{j} k_{j})

第三步：确定采用的材料种数、锚泊线各成分的长度和系统回复力

采用的材料的种数为N，选择一组单位长度重量数值[W₁，W₂，…W_N]，结合锚泊线最小重量确定多成分锚泊线悬链线方程组，力学关系如图3所示。若N大于2，在最小重量和水深两个条件约束下采用线性规划求解，若N等于2，直接求解方程组。求得结果为多成分锚泊线的各材料的长度。然后，根据平面非汇交力系计算得到系统的回复力。

第四步：确定最优设计参数，并建立设备选择图谱

由可选材料中断裂强度最小的材料的单位长度重量最大值和最小值确定取值范围，以锚泊系统总成本最小的为目标函数重复步骤3的计算，得到最优参数结果如图4所示(曲线代表不同的系统回复力)。并将各成分单位长度重量的变化对总回复力及总成本的影响作图，形成设计曲线图谱。直接查该图谱或根据图中所示的设计曲线进行插值，可选择相应的锚泊设备。

Claims

1、一种多成分锚泊系统优化设计方法，其特征在于包括以下具体步骤：

1)确定锚泊线组成材料的共性特征：从各种锚泊线材料的产品信息拟合出材料的单位长度重量与断裂强度、单位长度重量与单位长度价格的二次函数关系；

2)确定最小锚泊线重量：以锚泊线的水平刚度系数和锚泊线的成本为两个优化目标，建立最小锚泊线重量优化模型，求解得到单根锚泊线的最小重量；

3)确定采用的材料种数、锚泊线各成分的长度和系统回复力：确定采用的材料的种数，选择一组各成分的单位长度重量数值，结合锚泊线最小重量确定多成分锚泊线悬链线方程组，采用线性规划方法求解，得到多成分锚泊线的各成分的长度，随后，根据平面非汇交力系计算得到系统的回复力；

4)确定最优设计参数，并建立设备选择图谱：选择材料的单位长度重量变化范围，对每一组值进行计算即重复步骤3，得成本最小的锚泊线设计参数，将各成分单位长度重量的变化对系统回复力及总成本的影响作图，形成设计曲线图谱，在设备选择时使用，直接在图中查找相应参数。