基于冰載作用下導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)動力的優(yōu)化

王友(中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300459)

基于冰載作用下導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)動力的優(yōu)化

王友(中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300459)

導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)對與海洋資源開采來說有重要作用，對其結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化的研究有重要的實際意義。導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)通常會受到多種因素的影響，本文基于冰載作用的前提下，從統(tǒng)一設計變量方法和免疫遺產(chǎn)算法兩個方面對導管架海洋結(jié)構(gòu)動力的優(yōu)化展開討論，希望實現(xiàn)海洋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

冰載作用；導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)；動力優(yōu)化

目前，國內(nèi)外對導管架海洋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究都有一定的進展，主要集中在對靜載荷的分析上，但是一般海洋結(jié)構(gòu)受到的環(huán)境影響因素都可以歸類為動載荷，本文以冰載荷作為影響海洋結(jié)構(gòu)的主要因素，在此基礎上，展開對海洋結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化的研究，從而促進海洋動力結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究的發(fā)展。

1 基于統(tǒng)一設計變量方法的導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化

導管架海洋平臺會受到各種載荷的作用，其中動載荷對海洋結(jié)構(gòu)的危害較大，因此，實現(xiàn)海洋結(jié)構(gòu)的動力優(yōu)化是保證海洋平臺安全性的重點。以往的海洋平臺優(yōu)化設計很少將截面變量和形狀變量同時作為考慮因素，由于兩種的量綱不同，兩種變量的換算使設計算法具有一定的難度。同時，人為使用分層優(yōu)化方法對兩者進行耦合，雖然會使算法簡便，但是正確率降低。本文考慮到以上算法存在的缺點，采用統(tǒng)一設計變量方法進行運算，通過將兩種變量通過變量轉(zhuǎn)換，使兩者之間無量綱的差異[1]。首先以動冰載荷為主要環(huán)境載荷，同時將截面變量和形狀變量作為考慮因素。再運用有關軟件，建立變量模型，從而對海洋平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化進行設計。首先確定目標函數(shù)，導管架海洋平臺優(yōu)化設計的目標函數(shù)就是平臺結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量。根據(jù)以下公式算出最優(yōu)尺寸：

其中：n代表圓管構(gòu)件的組數(shù)；m代表每組構(gòu)件的數(shù)量；ρ、D、T、L分別代表密度、平均直徑、平均壁厚和圓管構(gòu)件長度。對于尺寸和形狀優(yōu)化的運算公式如下：

海洋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的約束函數(shù)包括頻率、動位移、動應力和穩(wěn)定性等，本文將頻率和位移作為主要約束條件，可表示為，μj≤μa，f≥fa。其中μj表示第j個節(jié)點的動位移；f為海洋平臺的固有頻率。導管架平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標是使結(jié)構(gòu)質(zhì)量盡可能輕，從而保證平臺的安全性，再根據(jù)設計算法運行出的結(jié)果進行尺寸設計。將統(tǒng)一算法與其他算法的優(yōu)化結(jié)果進行比較，可以發(fā)現(xiàn)采用統(tǒng)一設計變量方法進行尺寸優(yōu)化時，平臺的質(zhì)量減少最多，從而證實了統(tǒng)一變量設計算法在海洋結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的可行性。

2 基于免疫遺傳算法的導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化

以往在進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法設計時，大多數(shù)設計方法是在連續(xù)變量的基礎上進行優(yōu)化，而實際上工程中的設計變量通常是離散型變量,并且采用連續(xù)變量作為設計變量，容易導致在進行復雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設計運算時得出的解只是局部最優(yōu)解，不能作為全部解中的最優(yōu)解。目前也有多種有關離散變量的優(yōu)化設計，包括可變?nèi)莶罘ā⑾鄬Σ钌谭ǖ?，這些方法在解決數(shù)學問題時有很大作用，但運用在工程設計中，往往具有局限性較大，同時準確度不高的缺陷。免疫遺傳算法綜合了免疫算法和遺傳算法的共同優(yōu)點，不僅可以使用最優(yōu)求解目標函數(shù)的算法，還保留了搜素特性，使設計算法能高效準確的進行運算，為解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問題提供了便利。

免疫遺傳算法將目標函數(shù)定義為抗原，將求出的解作為抗體。通過兩者的親和力、抗體濃度、遺傳算法對抗體的復制，交叉和變異計算獲得新抗體，來求得目標函數(shù)的最優(yōu)解，從而實現(xiàn)海洋平臺結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設計[2]。其中，目標函數(shù)與統(tǒng)一設計算法相同，仍為結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量，約束條件主要為頻率和動位移?？贵w之間的差異性可由信息熵的方式表達出來，如果算法結(jié)果是由字母表中S個字母組成，其中信息熵是由字母表中其中一個字母出現(xiàn)在某個抗體位置的概率來表示的?？贵w濃度是指某些性質(zhì)相同或相似的抗體占整個抗體總數(shù)的比例，可由以下公式進行計算，其中，N代表抗體總量，c為抗體的濃度。當抗體與抗原之間的親和力較大時，抗體的存活概率大，反之，抗體生存能力較低。相似的抗體可以彼此促進生存，這樣有利于縮小最優(yōu)值的范圍。本文的免疫遺傳算法采用了交叉和變異算子進行遺傳運算，通過兩種算法可以得出新產(chǎn)生抗體的數(shù)量，最后將抗體總?cè)褐信c抗原結(jié)合最好的抗體最為最優(yōu)解。

本文采用了免疫遺傳算法進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計運算，以離散型變量為設計變量，主要指的是導管架鋼管的壁厚，在考慮動載荷的基礎上，進行平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。通過與以往算法得出的數(shù)據(jù)比較，優(yōu)化效果顯著，說明免疫遺傳算法對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計有很大的參考作用，同時還具有良好的搜索能力和精準運行能力。通過數(shù)據(jù)可以得出，將免疫遺傳算法應用在海洋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計中是可行的，具有很好的應用價值。

3 結(jié)語

隨著我國海上石油資源開采的發(fā)展，動力優(yōu)化的導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)是進行海上作業(yè)的重要條件，已經(jīng)成為我國研究的重點。目前已經(jīng)存在多種進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的算法，但大多是在考慮靜載荷的基礎上進行的。實際上，環(huán)境影響大多可以歸類為動載荷影響，為此，本文提出在考慮動載荷因素對平臺結(jié)構(gòu)影響的前提下，進行統(tǒng)一設計變量和免疫遺傳兩種方法的分析，希望對實現(xiàn)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設計有一定的幫助。

[1]宋廣然,殷琪芮.探析地震作用下的導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)動力優(yōu)化設計[J].中國新技術(shù)新產(chǎn)品,2016,(02):166.

[2]謝維維,秦立成,劉博,袁尚晨.波浪載荷作用下的導管架海洋平臺結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].中國水運(下半月),2013,(07):74-76+79.