基于冰載作用下導管架海洋平臺結構動力的優化

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構動力的優化

王友(中海石油（中國）有限公司天津分公司，天津300459)

導管架海洋平臺結構對與海洋資源開采來說有重要作用，對其結構動力優化的研究有重要的實際意義。導管架海洋平臺結構通常會受到多種因素的影響，本文基于冰載作用的前提下，從統一設計變量方法和免疫遺產算法兩個方面對導管架海洋結構動力的優化展開討論，希望實現海洋結構的優化。

冰載作用；導管架海洋平臺結構；動力優化

目前，國內外對導管架海洋結構優化的研究都有一定的進展，主要集中在對靜載荷的分析上，但是一般海洋結構受到的環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構的主要因素，在此基礎上，展開對海洋結構動力優化的研究，從而促進海洋動力結構優化的研究的發展。

1 基于統一設計變量方法的導管架海洋平臺結構動力優化

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構的危害較大，因此，實現海洋結構的動力優化是保證海洋平臺安全性的重點。以往的海洋平臺優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，采用統一設計變量方法進行運算，通過將兩種變量通過變量轉換，使兩者之間無量綱的差異[1]。首先以動冰載荷為主要環境載荷，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，從而對海洋平臺結構優化進行設計。首先確定目標函數，導管架海洋平臺優化設計的目標函數就是平臺結構的總質量。根據以下公式算出最優尺寸：

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

海洋結構優化設計的約束函數包括頻率、動位移、動應力和穩定性等，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個節點的動位移；f為海洋平臺的固有頻率。導管架平臺結構優化的目標是使結構質量盡可能輕，從而保證平臺的安全性，再根據設計算法運行出的結果進行尺寸設計。將統一算法與其他算法的優化結果進行比較，可以發現采用統一設計變量方法進行尺寸優化時，平臺的質量減少最多，從而證實了統一變量設計算法在海洋結構優化中的可行性。

2 基于免疫遺傳算法的導管架海洋平臺結構動力優化

以往在進行結構優化算法設計時，大多數設計方法是在連續變量的基礎上進行優化，而實際上工程中的設計變量通常是離散型變量,并且采用連續變量作為設計變量，容易導致在進行復雜結構的優化設計運算時得出的解只是局部最優解，不能作為全部解中的最優解。目前也有多種有關離散變量的優化設計，包括可變容差法、相對差商法等，這些方法在解決數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點，不僅可以使用最優求解目標函數的算法，還保留了搜素特性，使設計算法能高效準確的進行運算，為解決結構優化問題提供了便利。

免疫遺傳算法將目標函數定義為抗原，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，來求得目標函數的最優解，從而實現海洋平臺結構的最優設計[2]。其中，目標函數與統一設計算法相同，仍為結構的總質量，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在某個抗體位置的概率來表示的。抗體濃度是指某些性質相同或相似的抗體占整個抗體總數的比例，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生抗體的數量，最后將抗體總群中與抗原結合最好的抗體最為最優解。

本文采用了免疫遺傳算法進行結構優化設計運算，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，進行平臺結構優化設計。通過與以往算法得出的數據比較，優化效果顯著，說明免疫遺傳算法對結構優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。通過數據可以得出，將免疫遺傳算法應用在海洋結構優化設計中是可行的，具有很好的應用價值。

3 結語

隨著我國海上石油資源開采的發展，動力優化的導管架海洋平臺結構是進行海上作業的重要條件，已經成為我國研究的重點。目前已經存在多種進行結構優化的算法，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構影響的前提下，進行統一設計變量和免疫遺傳兩種方法的分析，希望對實現結構最優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構動力優化設計[J].中國新技術新產品,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構優化研究[J].中國水運(下半月),2013,(07):74-76+79.