半潛式起重鋪管船坐墩配墩優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

王羲威，姜立群，劉廣輝，李 勇，逄建濤

[海洋石油工程(青島)有限公司，山東 青島 266520]

0 引 言

深海海洋油氣開(kāi)發(fā)潛力巨大。近年來(lái)，我國(guó)船舶和海洋工業(yè)向深水發(fā)展，大型深水海洋工程建設(shè)項(xiàng)目需求也隨之增多，其中深水半潛式起重鋪管船以其穩(wěn)性好、動(dòng)力強(qiáng)、起重量大等優(yōu)良性能，越來(lái)越受到海洋工程企業(yè)的關(guān)注。掌握深水半潛式起重鋪管船的建造技術(shù)，顯得尤為必要。

深水半潛式起重鋪管船是在海上進(jìn)行起重吊裝作業(yè)和深水鋪管作業(yè)的工程船舶，其建造要求高，涉及的技術(shù)復(fù)雜，需要設(shè)計(jì)配套與其建造技術(shù)相適應(yīng)的工藝裝備。先進(jìn)的工藝裝備對(duì)提高該類型船舶的制造工藝水平，提高機(jī)械化、自動(dòng)化、智能化制造水平有重要意義。本文將主要概括介紹深水鋪管船一項(xiàng)關(guān)鍵工藝裝備的設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，即支撐墊墩的布置優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。

1 概 述

該船舶底部模塊左右兩個(gè)浮體，單浮體寬度為35m，長(zhǎng)度180m，單浮體平均單位重量為91t，分段在車(chē)間內(nèi)制造，完成后下船塢組對(duì)，分段組對(duì)前提前布好支墩，支墩的布置原則為在保證船體建造安全和質(zhì)量的前提下，盡量節(jié)省支墩材料，減少支墩的數(shù)量。該船型為平底船型，沿縱向中心線布置的支墩承載能力約為70%的船體重量，邊墩承載能力約為25%船體重量，所以中部支墩布置較為密集，中墩與各邊墩布置數(shù)量比例按照3∶1配置。

塢墩強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)為試驗(yàn)得來(lái)的安全載荷。坐墩前要做試驗(yàn)，并對(duì)塢墩的強(qiáng)度進(jìn)行校核，強(qiáng)度校核要求如下：(1)計(jì)算載荷應(yīng)小于安全載荷；(2)承載能力為1.3倍計(jì)算載荷的墊墩應(yīng)不少于總數(shù)的30%；(3)實(shí)際載荷小于安全載荷30%的墊墩應(yīng)去掉，并重新進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

船塢內(nèi)支墩布置圖如圖1所示，共計(jì)劃使用支墩300個(gè)。

圖1 支墩布置圖Fig.1 Layout of docking block

2 深水半潛式起重鋪管船坐墩配墩的設(shè)計(jì)及優(yōu)化分析

2.1 坐墩支反力的計(jì)算

借助有限元法計(jì)算墊墩支反力。有限元法是一種常用的高效能數(shù)值計(jì)算方法?？茖W(xué)計(jì)算領(lǐng)域常常需要求解各類微分方程，而許多微分方程的解析解一般很難得到。使用有限元法將微分方程離散化后，可以編制程序，使用計(jì)算機(jī)輔助求解。

在具體設(shè)計(jì)計(jì)算的過(guò)程中，將墊墩和深水半潛式起重鋪管船的下水支架看作具有一定剛性系數(shù)的彈性支座，將深水半潛式起重鋪管船船體看作一根具有分布質(zhì)量和抗彎剛度的薄壁空心梁。其力學(xué)模型為一根連續(xù)梁坐在一系列彈性支座上。之后用有限元法進(jìn)行坐墩支反力計(jì)算。該種方法相較于傳統(tǒng)的計(jì)算方法有明顯的優(yōu)勢(shì)，其數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作并不復(fù)雜，計(jì)算求解時(shí)間短，可以直接得到船體的彎曲變形和墊墩支反力，為后續(xù)墊墩支反力校核提供了較大的便利，數(shù)據(jù)結(jié)果精確、直觀[1]。

2.2 坐墩配墩的布局及尺寸優(yōu)化

深水半潛式起重鋪管船坐墩配墩的布局及尺寸優(yōu)化是指在目標(biāo)船體尺寸和排水量確定的情況下，確定該船建造時(shí)墊墩的位置布局及墩木結(jié)構(gòu)尺寸的最優(yōu)方案，使墊墩的承載力足夠，不致引起船體變形，且在此前提下用料最省。該優(yōu)化程序采用分層優(yōu)化的方法，通過(guò)外層優(yōu)化計(jì)算，確定墩木的最優(yōu)化位置，再通過(guò)內(nèi)層優(yōu)化計(jì)算，得出墩木的最優(yōu)化尺寸[2]。其程序如圖2所示。

圖2 布墩及尺寸優(yōu)化流程圖Fig.2 Flowsheet of docking block position and size optimization

2.2.1墊墩的位置優(yōu)化計(jì)算

借助遺傳算法確定墩木的最佳位置。遺傳算法通過(guò)模擬生物的遺傳進(jìn)化機(jī)制，通過(guò)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算來(lái)求得一定客觀條件下的復(fù)雜系統(tǒng)優(yōu)化計(jì)算的最優(yōu)解。規(guī)模50～100的群體，經(jīng)過(guò)10～20代的進(jìn)化模擬，遺傳算法都能以高概率找到最優(yōu)解或者近似最優(yōu)解。應(yīng)用于坐墩配墩則是在選擇海洋石油工程(青島)有限公司的場(chǎng)地作為建造深水半潛式起重鋪管船場(chǎng)地的條件下，求得墩木布置的最優(yōu)化方案。

設(shè)計(jì)計(jì)算方法如下。已知船體的尺寸、排水量等技術(shù)參數(shù)，設(shè)A≥B，A為墩木位置總個(gè)數(shù)，B為有效墩木位置的個(gè)數(shù)，首先將A個(gè)墩木進(jìn)行編號(hào)，用1，2，3，……，A代表各個(gè)墩木的位置，從中選取B個(gè)有效墩木位置，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)程序計(jì)算得到可行性方案的解集，進(jìn)而擇取其中用料最省的解對(duì)墩木位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算流程如圖3所示。

圖3 墊墩位置優(yōu)化遺傳算法流程圖Fig.3 Flowsheet of position optimization with genetic algorithm

2.2.2墩木尺寸的優(yōu)化計(jì)算

在通過(guò)前述計(jì)算確定了墊墩位置的情況下，建立數(shù)學(xué)模型，再進(jìn)行墊木尺寸的優(yōu)化計(jì)算。該數(shù)學(xué)模型公式如下：

s.t.Gj(Xp,Xd)≤0,j=1,2,K,Ng,

(1)

式中：V*(XP)是給定墊墩位置XP的前提下，墊墩最小總體積；Xd是由4個(gè)墩木結(jié)構(gòu)尺寸變量(墩木寬度Bi、墩木長(zhǎng)度Ci、松木高度H1i、硬木高度H2i)構(gòu)成的向量；Gj為設(shè)計(jì)必須滿足的第j個(gè)約束的約束函數(shù)；Ng為約束條件的個(gè)數(shù)。確定數(shù)學(xué)模型之后利用序列二次規(guī)劃方法求解該模型，得到符合條件的墩木總體積后回代到外層優(yōu)化程序。內(nèi)外兩層程序循環(huán)優(yōu)化計(jì)算，直至得到最優(yōu)解[3]。

3 深水半潛式起重鋪管船坐墩配墩的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

當(dāng)目標(biāo)函數(shù)由兩個(gè)及以上獨(dú)立的評(píng)價(jià)指標(biāo)組成的時(shí)候，就可以用多目標(biāo)優(yōu)化方法求解。與單目標(biāo)求最優(yōu)解問(wèn)題不同的是，多目標(biāo)優(yōu)化往往不存在最優(yōu)解，而只能得到符合要求的解，所求得的通常為一個(gè)解集，而且目標(biāo)函數(shù)越多求解的難度越大。常用的求解方法有約束法、線性加權(quán)和法、最大最小法、權(quán)值法、寬容排序法等。

單目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)用于船舶坐墩配墩是指在確定的船舶尺寸、排水量、墊墩位置條件下，求得墊墩總體積的最小值；而坐墩配墩的多目標(biāo)設(shè)計(jì)優(yōu)化還要求考慮船體尾部的強(qiáng)度儲(chǔ)備[4]。

根據(jù)以上條件來(lái)考慮設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。將墩木總體積V(x1)和船尾結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備作為目標(biāo)函數(shù)，船尾典型結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度用船尾中內(nèi)龍骨所受墊墩支反力之和F(x2)來(lái)表示，這樣F(x2)越小則結(jié)構(gòu)強(qiáng)度儲(chǔ)備越大。采用寬容排序法求解，即根據(jù)上文描述的方法確定墩木的最佳位置和尺寸之后，在不改變墩木位置的前提下，重新選擇墩木的總體積，使得船尾中內(nèi)龍骨所受墊墩支反力之和R(x2)取得最小值，得到一系列符合要求的min{V(x1)，F(xiàn)(x2)}。再根據(jù)實(shí)際情況，取其中的某個(gè)解作為應(yīng)用于方案的解，這樣可以兼顧兩個(gè)性能不同的指標(biāo)，使坐墩配墩設(shè)計(jì)更為合理。

4 深水半潛式起重鋪管船坐墩配墩的魯棒設(shè)計(jì)

在進(jìn)行坐墩配墩設(shè)計(jì)時(shí)，支墩所受的力與支墩的剛度、船體的重量及剛度、船體重量分布有關(guān)，而這些參數(shù)在進(jìn)行坐墩配墩設(shè)計(jì)時(shí)難以確定。支墩組合剛度這種不確定的參量則可視為概率不確定性量。將船體梁載荷看作是非概率不確定性量，在此兩種不確定性量同時(shí)存在的情況下求坐墩配墩方案的解[5]。

程序計(jì)算結(jié)果表明，在增加不確定性參數(shù)之后，支墩的總體積增加，相對(duì)于船體梁載荷不確定性的影響，支墩組合剛度的影響要更大一些。這也就啟示設(shè)計(jì)人員要在設(shè)計(jì)的過(guò)程中更加重視支墩木材的樹(shù)齡、濕度、使用破壞的情況等，要相應(yīng)地留一定余量。

5 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要概述了用于深水半潛式起重鋪管船坐墩配墩的設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法，介紹了墩木布局及尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法、多目標(biāo)條件下的墩木設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法及存在不確定性量條件下的魯棒設(shè)計(jì)的方法。采用以上方法，可以使得墩木布置得到優(yōu)化配置，在保證建造安全和減少船體變形的前提下節(jié)省墊墩材料。

坐墩配墩的設(shè)計(jì)優(yōu)化要求考慮船體尾部的強(qiáng)度儲(chǔ)備，優(yōu)化求解時(shí)要根據(jù)實(shí)際情況兼顧兩個(gè)甚至多個(gè)性能不同的指標(biāo)，使坐墩配墩設(shè)計(jì)更為合理，在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中還要考慮到船體重量分布的不確定性，提前留有足夠的余量。本文總結(jié)的內(nèi)容有望用于指導(dǎo)將來(lái)項(xiàng)目中的實(shí)際應(yīng)用。

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[4] 游建軍,程遠(yuǎn)勝.船舶坐墩配墩多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004,32(1)：25.

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[5] 程遠(yuǎn)勝,曾廣武.考慮不確定性的船舶坐墩配墩優(yōu)化[J].華中科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002,30(3)：33.

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