基于目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化的海洋浮標(biāo)平臺系泊方案設(shè)計?

（海軍航空大學(xué)航空基礎(chǔ)學(xué)院 煙臺 264000）

1 引言

為了保證海洋浮標(biāo)平臺設(shè)備的可靠性和數(shù)據(jù)測量準(zhǔn)確性，海洋浮標(biāo)平臺在海上漂浮需要一個穩(wěn)定的狀態(tài)，如何在保持安全可靠的情況下兼顧經(jīng)濟性，是當(dāng)前浮標(biāo)系泊需要解決的問題，系泊系統(tǒng)的設(shè)計具有非常重要的意義。目前，常見的方法都是根據(jù)遺傳算法或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法來計算布線位置。主要通過優(yōu)化錨泊線的布置方式來最大限度地減小系泊狀態(tài)下錨鏈的平動位移量［1］。以錨鏈拋錨距離和方位角作為變量，通過正交試驗選取了最優(yōu)的系泊布置方案［2～3］。這些研究主要是針對船舶系泊纜索位置的優(yōu)化，本文以纜索的物理性質(zhì)的優(yōu)化為研究的重點，對具有對稱的特點浮標(biāo)平臺進行系泊方案設(shè)計與優(yōu)化。

2 纜索優(yōu)化設(shè)計

通過采用有限元分析對纜索截面參數(shù)以及長度來進行優(yōu)化設(shè)計［4～6］，分析的過程中插入了程序語言對不同纜索參數(shù)的選用進行了自動化處理，從而進行批量的水動力計算和后處理。在該段處理中，將待選的各種截面參數(shù)化，程序可以直接調(diào)用對應(yīng)截面參數(shù)進行計算。

2.1 實驗變量設(shè)計

對纜索優(yōu)化的目的是盡可能減小纜索總重量，且保證浮臺的搖蕩幅值和纜索張力峰值也盡可能小［7～8］。優(yōu)化分析的輸入變量有纜索總長度、單位長度纜索重量、軸向剛度以及等效直徑［1］。纜索軸向剛度和等效直徑是與單位長度纜索重量緊密相關(guān)的，即相同的材料，纜索越粗其重量與剛度就越大。根據(jù)纜索截面積與其重量與剛度的正比例關(guān)系，可在纜索重量、軸向剛度和等效直徑三者中選擇纜索重量作為設(shè)計變量，另外兩個變量作為其表達(dá)式關(guān)系。那么實際的輸入變量就是纜索總長度與纜索重量兩個不相關(guān)的變量?，F(xiàn)有的方案下，纜索的總長為55m，纜索重量為150kg/m。鑒于纜索的總長較短，如繼續(xù)減短，則有可能增大浮臺的初始拉力，因此纜索的總長取更大的值，而纜索的重量為經(jīng)濟性考慮則取更小的值，各輸入變量的設(shè)計區(qū)間見表1。

表1 各輸入變量的設(shè)計區(qū)間

輸出變量指定為浮臺垂蕩運動的谷值與峰值，浮臺搖動角度的谷值與峰值以及纜索張力的峰值。

2.2 實驗設(shè)計

表2 實驗設(shè)計中的輸入變量與輸出變量

本文通過設(shè)計實驗［9］建立響應(yīng)面模型。因為實際的設(shè)計變量只有兩個變量：纜索重量與纜索長度，那么在實驗設(shè)計中可將纜索重量變化8次，纜索長度變化6次，來進行參數(shù)化計算。纜索重量值分別為150、135、120、105、90、75、60、45，量綱kg/m；纜索長度分別為55、56、57、58、59、60，量綱為m；一共進行6×8=48次計算，由于篇幅所限表格中只列出部分計算結(jié)果。

2.3 響應(yīng)面分析

實驗設(shè)計的48次離散樣本采用ANSYS的響應(yīng)面程序［10～11］，對離散的樣本進行連續(xù)插值計算，生成了1000組數(shù)據(jù)，隨后將各個數(shù)據(jù)生成三維坐標(biāo)系的統(tǒng)計圖，形成了響應(yīng)面，通過對響應(yīng)面的分析便能夠得到各參數(shù)之間的關(guān)系。通過分析響應(yīng)面［12］，以此達(dá)到優(yōu)化的目的。

圖1 浮臺垂蕩幅值的三維響應(yīng)面

圖2 浮臺搖動幅值的三維響應(yīng)面

圖3 纜索張力峰值的三維響應(yīng)面

其中：X軸為單位長度纜索質(zhì)量；Y軸為纜索長度；Z軸分別為浮臺的垂蕩幅值、浮臺的搖動幅值和纜索的張力峰值。由圖1可得，浮臺的垂蕩振幅與繩索的長度無關(guān)，而與繩索的質(zhì)量有關(guān)，質(zhì)量越小垂蕩振幅越小。

由圖2可得，浮臺的搖動幅值與繩索的質(zhì)量關(guān)系較小，而與繩索的長度關(guān)系較大，繩索較大或較小時搖動幅值較小。

由圖3可得，纜索張力峰值與纜繩的長度關(guān)系較小，與繩索的重量關(guān)系較大，繩索的重量越大，纜繩的張力峰值越大。

從變量的敏感度來看，浮臺的垂蕩運動和纜索的張力與纜索的重量相關(guān)性較大；而浮臺的搖動角度與纜索長度相關(guān)性較大。

2.4 目標(biāo)驅(qū)動優(yōu)化

指定各變量的優(yōu)化目標(biāo)見表3。

表3 輸出變量與優(yōu)化目標(biāo)

圖4 浮臺垂蕩幅值的可行樣本分布圖

圖5 浮臺搖動幅值的可行樣本分布圖

通過仿真實驗在響應(yīng)面得到的大量連續(xù)樣本中進行篩選，圖4～圖6分別顯示浮臺的垂蕩運動幅值、浮臺的搖動角度幅值和纜索的張力峰值在滿足優(yōu)化目標(biāo)條件下的可行樣本分布圖。系統(tǒng)根據(jù)垂蕩幅值、搖動角度幅值以及纜索張力峰值的優(yōu)化目標(biāo)對這些可行的樣本進行最優(yōu)解的篩選。

圖6 纜索張力峰值的可行樣本分布圖

根據(jù)自動篩選得到的最優(yōu)樣本見表4。從結(jié)果可以看出，通過優(yōu)化可以減輕纜索18%的重量。

表4 初始方案與最優(yōu)方案的變量對比

3 五級海況下最優(yōu)樣本的核算

以表4中的纜索重量和纜索長度反饋給AQWA軟件，進行水動力時域分析。核算了在五級海況海況兩種海洋環(huán)境下的結(jié)果。圖7和圖8分別為X、Y、Z、Rx、Ry、Rz方向浮臺自由度的時間歷程曲線。

相比初始設(shè)計的纜索總重量8250kg，此時的纜索總重量為6768.65kg，減重18.0%。相比初始設(shè)計的纜索張力峰值122.12KN，此時的纜索峰值為104.80KN，降低14.2%。如表5所示。

表5 五級海況下初始方案與最優(yōu)樣本的結(jié)果對比

圖7 浮臺X、Y、Z自由度時間歷程曲線

圖8 浮臺Rx、Ry、Rz自由度時間歷程曲線

圖9 纜索的張力時間歷程曲線

4 結(jié)語

采用AQWA水動力分析結(jié)合ANSYS Design Exploration優(yōu)化分析模塊對海洋通信浮臺的系泊系統(tǒng)進行優(yōu)化分析。得到如下結(jié)論：

1）通過目標(biāo)驅(qū)動的優(yōu)化設(shè)計，得到了最優(yōu)的纜索重量和纜索長度，纜索共減重18.0%。

2）經(jīng)過對最優(yōu)設(shè)計參數(shù)分別在五級海況和百年一遇海況下的核算，得到浮臺的垂蕩運動和搖動運動幅值在優(yōu)化前后變化較小，在五級海況下纜索張力峰值降低了14.2%，在百年一遇海況下纜索張力峰值降低了5.3%。

仿真計算結(jié)果證明提出的優(yōu)化方案和設(shè)計，能夠為纜索在滿足的強度要求下充分考慮輕量化設(shè)計，使系泊方案具有良好的經(jīng)濟性，為海洋浮標(biāo)平臺的系泊制造設(shè)計提供了一定的解決方案。