半潛式起重鋪管船起重機(jī)吊臂變幅速度優(yōu)化研究

徐京闊 秦立成 李新超 孫文明 高瑩瑩 李立濤

(海洋石油工程股份有限公司,天津 300461)

1 吊臂變幅速度優(yōu)化的意義

隨著海洋工程的發(fā)展，大型浮吊起重能力越來越大，半潛式起重船應(yīng)用越來越廣，本文對(duì)半潛起重船吊臂變幅進(jìn)行了研究，吊臂變幅速度與其自身的結(jié)構(gòu)、整個(gè)吊機(jī)動(dòng)力系統(tǒng)的配置以及船舶的性能有關(guān)。首先吊臂的變幅速度會(huì)影響被吊載物的動(dòng)載系數(shù)，因此變幅速度越快，動(dòng)載系數(shù)越大，對(duì)吊臂的沖擊就越大，所以，變幅速度越快，吊臂應(yīng)力越大，需要吊臂的截面越大或者管徑越粗。其次吊臂的變幅速度與整個(gè)吊機(jī)的動(dòng)力系統(tǒng)配置有關(guān)，變幅速度越快，需要?jiǎng)恿ο到y(tǒng)提供越高的功率，或者減少倍率，單繩拉力來達(dá)到，此時(shí)吊臂就需要增強(qiáng)。最后吊臂的變幅速度與船舶的性能相關(guān)，由于船舶的性能與很多方面都有關(guān)，在這里不予優(yōu)化船舶性能。吊臂變幅速度的優(yōu)化的意義在于匹配合適的吊臂和動(dòng)力系統(tǒng)以使加工成本和吊載成本達(dá)到最優(yōu)配置。本文的研究成果不僅為常規(guī)項(xiàng)目提供了技術(shù)支持，也為我國后續(xù)深水半潛式起重鋪管船吊機(jī)設(shè)計(jì)提供了參考。

2 研究方法介紹

吊臂變幅速度的優(yōu)化需要選擇收斂速度快且計(jì)算不是很復(fù)雜的算法。按照理論基礎(chǔ)分類，目前主要使用的優(yōu)化算法大致可歸為三類。

2.1 數(shù)學(xué)規(guī)劃法

數(shù)學(xué)規(guī)劃法以規(guī)劃理論為基礎(chǔ)，其優(yōu)點(diǎn)是理論嚴(yán)謹(jǐn)，適用面廣，且收斂有保證，在求解結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化問題時(shí)應(yīng)用較多。此算法的缺點(diǎn)是：在優(yōu)化過程中需要多次調(diào)用函數(shù)計(jì)算，計(jì)算量隨著設(shè)計(jì)變量的增加而迅速增加，收斂較慢。因此設(shè)計(jì)效率和經(jīng)濟(jì)性較低。常用的數(shù)學(xué)規(guī)劃法有：序列線性規(guī)劃法、二次規(guī)劃法、罰函數(shù)法以及乘子法。

2.2 最優(yōu)準(zhǔn)則法

最優(yōu)準(zhǔn)則法是解決早期數(shù)學(xué)規(guī)劃法效率低下的問題應(yīng)運(yùn)而生的，它通過力學(xué)概念或工程經(jīng)驗(yàn)來建立相應(yīng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。其優(yōu)點(diǎn)是：物理意義明確，方法相對(duì)簡(jiǎn)便，對(duì)結(jié)構(gòu)的重復(fù)分析次數(shù)少，收斂速度較快等。該算法通常在結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)中用于減小應(yīng)力集中。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究的早期，這一優(yōu)化算法為人們所鐘愛。近年來，在結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的研究中，由于其設(shè)計(jì)變量數(shù)量龐大，用的較多的優(yōu)化算法也是最優(yōu)準(zhǔn)則法。

2.3 仿生學(xué)方法

仿生學(xué)方法是人類模擬自然界進(jìn)化過程和自然界的結(jié)構(gòu)得到的優(yōu)化算法。仿生學(xué)方法主要有：模擬退火法、遺傳算法、神經(jīng)元網(wǎng)絡(luò)算法、蟻群算法以及粒子群優(yōu)化算法。

2.4 擬采用的研究方法：基于粒子群算法改進(jìn)的蟻群算法

以上各智能優(yōu)化算法都有自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，然而針對(duì)半潛式起重鋪管船起重機(jī)吊臂變幅速度的研究，采用基于粒子群算法的改進(jìn)蟻群算法的求解效率更為高效。首先利用粒子群算法快速的全局收斂作為對(duì)優(yōu)化問題進(jìn)行前期搜索，將得到各粒子的歷史最優(yōu)位置值轉(zhuǎn)化為下步蟻群算法的信息素初始分布，再利用蟻群算法的并行性、正反饋性及求解效率高的特性，將上述最優(yōu)位置值作為后期蟻群算法各個(gè)螞蟻的位置，同時(shí)將信息素初始分布重新設(shè)置。這樣融合后的改進(jìn)算法，時(shí)間效率上優(yōu)于粒子群算法，在求解效率上優(yōu)于蟻群算法，形成了時(shí)間效率和求解效率都比較好的改進(jìn)算法。

3 實(shí)例計(jì)算分析

3.1 模型的建立

1)數(shù)學(xué)模型：

對(duì)吊臂變幅速度的關(guān)系，涉及到的內(nèi)容先進(jìn)行畫圖說明，如圖1所示。

2)算法流程：

采用基于粒子群算法改進(jìn)的蟻群算法，其分析流程如圖2所示。

3)設(shè)計(jì)變量:

根據(jù)數(shù)學(xué)模型，跨距a、吊臂的仰角α是定值，而吊臂長(zhǎng)度L、吊臂高度c和動(dòng)載系數(shù)φ為變量。

4)目標(biāo)函數(shù)：

min{f}=min{=PQ+PX+PB},

其中,PQ，PX,PB分別為起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)的功率;t為一個(gè)工作循環(huán)所需時(shí)間。根據(jù)功率、力和速度三者間的關(guān)系，可得出：

PQ=FQ×vQ，

PX=MX×vX，

PB=FZ×vZ。

其中，F(xiàn)Q為起升機(jī)構(gòu)滿載起升時(shí)的阻力；MX為回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)滿載時(shí)的阻力；FZ為變幅機(jī)構(gòu)滿載時(shí)的阻力；vQ為起升速度；vX為回轉(zhuǎn)速度；vZ為變幅驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)的線速度。

5)約束條件：

應(yīng)力約束，要求各個(gè)桿件的應(yīng)力均滿足條件。

重量約束，使吊臂重量越輕越好。

與主、副起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)規(guī)格相同，2臺(tái)1 350 kW電機(jī)。

6)初始目標(biāo)值:

吊臂長(zhǎng)度設(shè)定為87 m，吊臂高度設(shè)定為6 m。

3.2 計(jì)算分析

計(jì)算工況說明及變幅速度初始值見表1。

表1 計(jì)算工況說明及變幅速度初始值

3.2.1 工況一的動(dòng)力學(xué)分析

為了模擬起重機(jī)空載情況下臂架變幅運(yùn)動(dòng)的情況，分別取變幅速度為0.058 rad/min和0.065 rad/min計(jì)算了吊載物的擺動(dòng)動(dòng)力放大系數(shù)。

不同變幅速度吊載物擺動(dòng)如圖3所示，從圖3中看出空載變幅速度越快吊載物擺動(dòng)越大，但是與其他變幅速度相比減小得不多。

不同變幅速度下的動(dòng)力放大系數(shù)如圖4所示。

從圖3,圖4可以得到，取值0.065 rad/min的空載變幅速度，即變幅時(shí)間21.5 min，此變幅速度對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)是符合要求(小于1.1)的。

3.2.2 工況二的動(dòng)力學(xué)分析

為了模擬起重機(jī)滿載狀態(tài)下臂架變幅運(yùn)動(dòng)的情況，分別取變幅速度為0.116 rad/min和0.127 rad/min計(jì)算了吊載物的擺動(dòng)動(dòng)力放大系數(shù)。

不同變幅速度吊載物擺動(dòng)如圖5所示，從圖5看出滿載變幅速度越快吊載物擺動(dòng)越大，但是與其他變幅速度相比減小得不多。

不同變幅速度下的動(dòng)力放大系數(shù)如圖6所示。

從圖5，圖6可以得到，取值0.127 rad/min的滿載變幅速度，即變幅時(shí)間11 min，此變幅速度對(duì)動(dòng)力放大系數(shù)是符合要求的。

3.2.3 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

經(jīng)過算法分析，吊臂變幅速度得到有效的優(yōu)化，表2是吊臂變幅速度前后對(duì)比表。

表2 優(yōu)化前后對(duì)比表

4 結(jié)論

1)變幅速度由24 min/12 min提高到21.5 min/11 min，使負(fù)載功率與電動(dòng)機(jī)功率接近，并且與主、副起升機(jī)構(gòu)的電機(jī)規(guī)格相同；

2)采用基于粒子群算法改進(jìn)的蟻群算法進(jìn)行了變幅速度優(yōu)化，以吊臂長(zhǎng)度、吊臂 高度和動(dòng)載系數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以桿件應(yīng)力、重量為約束條件，以起升機(jī)構(gòu)、回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)和變幅機(jī)構(gòu)的聯(lián)合動(dòng)作下的功率最小為優(yōu)化目標(biāo)，分析了不同變幅速度下的吊物擺角和動(dòng)力放大系數(shù)，根據(jù)計(jì)算結(jié)果，以上對(duì)應(yīng)不同變幅速度的動(dòng)力放大系數(shù)均未超過CCS船級(jí)社規(guī)范限定的動(dòng)力系數(shù)1.1。