動力貓道支架的優(yōu)化設(shè)計

史　萌（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西　寶雞　721000）

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動力貓道支架的優(yōu)化設(shè)計

史萌
（寶雞職業(yè)技術(shù)學(xué)院,陜西寶雞721000）

摘 要：重量控制是海洋平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計重中之重，它影響到平臺穩(wěn)定、運動性能及平臺作業(yè)能力。本文應(yīng)用分析軟件對動力貓道支架進行參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計，確保模塊的在各個復(fù)雜工況下能夠正常工作，同時模塊的重量在控制范圍內(nèi)，從而完成結(jié)構(gòu)的可靠性設(shè)計和優(yōu)化設(shè)計。

關(guān)鍵詞：優(yōu)化分析；重量控制；貓道支架

0　引言

海洋平臺可在較深海域作業(yè)，能適應(yīng)較惡劣的海況條件,具有良好的移運性[1]。在設(shè)計過程中確保平臺強度和重量的合理性，是平臺設(shè)計建造成功的關(guān)鍵[2-3]。對于海洋平臺動力貓道支架模塊的設(shè)計，采用參數(shù)化設(shè)計確保結(jié)構(gòu)合理、強度足夠，在各個惡劣工況下能夠正常工作的同時，又能保證模塊重量在控制范圍內(nèi)。

1　數(shù)學(xué)模型

對于貓道支架模塊重量的控制，也就是對支架模塊框架結(jié)構(gòu)梁單元的重量控制，即梁的截面面積和長度作為變量輸入進行控制；支架模塊大梁在設(shè)備載荷作用下?lián)隙容^小和重量較小是作為目標函數(shù)輸出。

輸入變量為梁截面面積和長度，組焊H鋼；目標函數(shù)有兩個，分別是確保支架模塊大梁的撓度最小和重量最小。截面的面積A、慣性距I和梁受到均勻載荷q時的最大撓度fmax分別為：

因此，模塊強度和重量控制問題歸結(jié)為對兩個目標極小化的優(yōu)化問題，建立數(shù)學(xué)模型如下，來尋求最優(yōu)解。

采用有限元計算軟件進行優(yōu)化設(shè)計分析，分別在程序中定義設(shè)計變量和目標函數(shù)，同時在ANSYS中對設(shè)計變量設(shè)置上下偏差值進行50次迭代計算，部分優(yōu)化結(jié)果如表1所示。

表1　優(yōu)化結(jié)果（部分數(shù)據(jù)）

根據(jù)優(yōu)化出的數(shù)據(jù)可以知道，最優(yōu)解為第三列的數(shù)據(jù)，重量和撓度都比較小。對表1中第三列數(shù)據(jù)進行圓整，支架的主框架大梁采用H250×120×8×12，既能夠滿足力學(xué)性能的要求又能滿足重量的控制，同理可得出支腿主梁結(jié)構(gòu)截面。

2　支架模塊有限元建模

根據(jù)最優(yōu)解，采用ANSYS軟件對支架模塊進行整體建模。支架模塊主體采用Beam44梁單元，對于支架上設(shè)備如隔水管和貓道機采用Mass21質(zhì)量單元。建立的有限元模型如圖1所示。

圖1　支架模塊有限元模型

3　工況分析

動力貓機支架模塊主要受到其自身主體重量以及設(shè)備載荷等，同時不同工況下對應(yīng)的風載如表2所示，根據(jù)API Spec 4F規(guī)定，在最大迎風角度下計算動力貓道支架的風載；并根據(jù)AISC335-89《鋼結(jié)構(gòu)手冊》中軸心壓/拉彎組合的規(guī)定校核結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

表2　 支架模塊工況組合

4　結(jié)果分析

對根據(jù)最優(yōu)解所建的動力貓道支架模塊進行求解，計算出最優(yōu)解對應(yīng)的支架模塊各個工況下的力學(xué)性能。在這幾個工況中，2工況屬于較為惡劣的工況，因此下面只列出2工況的結(jié)果。

圖2　整體位移　

圖3　組合應(yīng)力

由圖2可知，支架模塊最大位移變形為29.7mm，位于支架的中間位置，在允許范圍內(nèi)；由圖3可知支架模塊最大應(yīng)力為127.3Mpa，位移支架與鉆臺面的連接處；并且計算出結(jié)構(gòu)的各桿件校核穩(wěn)定值Uc值最大為0.65，且結(jié)構(gòu)的應(yīng)力均小于許用應(yīng)力，因此該支架的強度和穩(wěn)定性足夠。

5　結(jié)論

模塊重量控制是海洋平臺設(shè)計的關(guān)鍵，通過參數(shù)優(yōu)化分析得到的最優(yōu)解來確定模塊結(jié)構(gòu)，從而進行下一步強度分析；既確保模塊結(jié)構(gòu)合理強度足夠，又保證模塊重量在控制范圍內(nèi)，確保結(jié)構(gòu)的可靠性以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

參考文獻：

[1]段艷麗,張金平等.半潛式平臺的波浪載荷計算[J].石油礦場機械,2006,35(02):41-44.

[2]徐志海.海洋平臺建造中重量、重心控制的意義和基本方法[J].船舶設(shè)計通訊,2011(127):12-15.

[3]徐志海.中油海9號平臺建造項目管理若干問題的研究[D].上海交通大學(xué),2011(04).

DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.083