半潛式起重鋪管船起重機吊臂變幅速度優化研究

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 吊臂變幅速度優化的意義

隨著海洋工程的發展，大型浮吊起重能力越來越大，半潛式起重船應用越來越廣，本文對半潛起重船吊臂變幅進行了研究，吊臂變幅速度與其自身的結構、整個吊機動力系統的配置以及船舶的性能有關。首先吊臂的變幅速度會影響被吊載物的動載系數，因此變幅速度越快，動載系數越大，對吊臂的沖擊就越大，所以，變幅速度越快，吊臂應力越大，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吊機的動力系統配置有關，變幅速度越快，需要動力系統提供越高的功率，或者減少倍率，單繩拉力來達到，此時吊臂就需要增強。最后吊臂的變幅速度與船舶的性能相關，由于船舶的性能與很多方面都有關，在這里不予優化船舶性能。吊臂變幅速度的優化的意義在于匹配合適的吊臂和動力系統以使加工成本和吊載成本達到最優配置。本文的研究成果不僅為常規項目提供了技術支持，也為我國后續深水半潛式起重鋪管船吊機設計提供了參考。

2 研究方法介紹

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

2.1 數學規劃法

數學規劃法以規劃理論為基礎，其優點是理論嚴謹，適用面廣，且收斂有保證，在求解結構形狀優化問題時應用較多。此算法的缺點是：在優化過程中需要多次調用函數計算，計算量隨著設計變量的增加而迅速增加，收斂較慢。因此設計效率和經濟性較低。常用的數學規劃法有：序列線性規劃法、二次規劃法、罰函數法以及乘子法。

2.2 最優準則法

最優準則法是解決早期數學規劃法效率低下的問題應運而生的，它通過力學概念或工程經驗來建立相應的最優設計準則。其優點是：物理意義明確，方法相對簡便，對結構的重復分析次數少，收斂速度較快等。該算法通常在結構形狀優化設計中用于減小應力集中。在結構優化設計研究的早期，這一優化算法為人們所鐘愛。近年來，在結構拓撲優化的研究中，由于其設計變量數量龐大，用的較多的優化算法也是最優準則法。

2.3 仿生學方法

仿生學方法是人類模擬自然界進化過程和自然界的結構得到的優化算法。仿生學方法主要有：模擬退火法、遺傳算法、神經元網絡算法、蟻群算法以及粒子群優化算法。

2.4 擬采用的研究方法：基于粒子群算法改進的蟻群算法

以上各智能優化算法都有自身的特點和優勢，然而針對半潛式起重鋪管船起重機吊臂變幅速度的研究，采用基于粒子群算法的改進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優化問題進行前期搜索，將得到各粒子的歷史最優位置值轉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，將上述最優位置值作為后期蟻群算法各個螞蟻的位置，同時將信息素初始分布重新設置。這樣融合后的改進算法，時間效率上優于粒子群算法，在求解效率上優于蟻群算法，形成了時間效率和求解效率都比較好的改進算法。

3 實例計算分析

3.1 模型的建立

1)數學模型：

對吊臂變幅速度的關系，涉及到的內容先進行畫圖說明，如圖1所示。

2)算法流程：

采用基于粒子群算法改進的蟻群算法，其分析流程如圖2所示。

3)設計變量:

根據數學模型，跨距a、吊臂的仰角α是定值，而吊臂長度L、吊臂高度c和動載系數φ為變量。

4)目標函數：

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

其中,PQ，PX,PB分別為起升機構、回轉機構和變幅機構的功率;t為一個工作循環所需時間。根據功率、力和速度三者間的關系，可得出：

PQ=FQ×vQ，

PX=MX×vX，

PB=FZ×vZ。

其中，FQ為起升機構滿載起升時的阻力；MX為回轉機構滿載時的阻力；FZ為變幅機構滿載時的阻力；vQ為起升速度；vX為回轉速度；vZ為變幅驅動機構的線速度。

5)約束條件：

應力約束，要求各個桿件的應力均滿足條件。

重量約束，使吊臂重量越輕越好。

與主、副起升機構的電機規格相同，2臺1 350 kW電機。

6)初始目標值:

吊臂長度設定為87 m，吊臂高度設定為6 m。

3.2 計算分析

計算工況說明及變幅速度初始值見表1。

表1 計算工況說明及變幅速度初始值

3.2.1 工況一的動力學分析

為了模擬起重機空載情況下臂架變幅運動的情況，分別取變幅速度為0.058 rad/min和0.065 rad/min計算了吊載物的擺動動力放大系數。

不同變幅速度吊載物擺動如圖3所示，從圖3中看出空載變幅速度越快吊載物擺動越大，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力放大系數如圖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，即變幅時間21.5 min，此變幅速度對動力放大系數是符合要求(小于1.1)的。

3.2.2 工況二的動力學分析

為了模擬起重機滿載狀態下臂架變幅運動的情況，分別取變幅速度為0.116 rad/min和0.127 rad/min計算了吊載物的擺動動力放大系數。

不同變幅速度吊載物擺動如圖5所示，從圖5看出滿載變幅速度越快吊載物擺動越大，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力放大系數如圖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，即變幅時間11 min，此變幅速度對動力放大系數是符合要求的。

3.2.3 優化結果對比

經過算法分析，吊臂變幅速度得到有效的優化，表2是吊臂變幅速度前后對比表。

表2 優化前后對比表

4 結論

1)變幅速度由24 min/12 min提高到21.5 min/11 min，使負載功率與電動機功率接近，并且與主、副起升機構的電機規格相同；

2)采用基于粒子群算法改進的蟻群算法進行了變幅速度優化，以吊臂長度、吊臂 高度和動載系數為設計變量，以桿件應力、重量為約束條件，以起升機構、回轉機構和變幅機構的聯合動作下的功率最小為優化目標，分析了不同變幅速度下的吊物擺角和動力放大系數，根據計算結果，以上對應不同變幅速度的動力放大系數均未超過CCS船級社規范限定的動力系數1.1。