自升式海洋平台桩腿的结构强度分析及优化设计

摘要

自升式钻井平台是移动式海洋平台，在海洋石油开发中最为常用。海洋平台是海洋油气资源开发的基础性的设施，所处海洋环境恶劣，风、海浪、海流、地震等灾害威胁着平台结构的安全，结构疲劳强度和极限强度受到严重影响。桩腿作为海洋平台的支撑结构，影响着平台的安全以及稳定性，而桩腿所用材料昂贵，对桩腿优化要考虑桩腿的动力性能，所以对桩腿采取的是基于动力性能的多目标优化。　　首先，对自升式海洋平台静力动力分析。利用软件建立自升式海洋平台三维模型，根据环境载荷的入射角讨论5种工况，根据规范施加边界条件，载荷根据甲板载荷图施加，完成静力分析以后，选取最危险的一种工况，进行动力分析，并校核桩腿的屈服以及屈曲强度。　　其次，对桩腿结构进行单目标优化。对桩腿进行分段，以桩腿厚度为设计变量，动位移、动应力以及固有频率为约束条件，优化时，质量为目标函数，若只考虑质量最小，桩腿厚度的取值偏向与设计变量的下限。然而，表现平台振动情况的加速度变大了，所以有必要进行多目标优化。　　最后，对桩腿进行多目标优化。首先对设计变量分析其对桩腿加速度的灵敏度，采取与单目标优化相同的设计变量以及约束条件。目标函数是质量最小以及自存工况下加速度最小。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 研究背景

1．2 动力优化研究现状

1．3 多目标优化研究现状

1．4 本文的主要研究内容

1．5 本文的创新点

第二章 环境载荷的理论基础

2．1 风载荷

2．1．1 设计风速的确定

2．1．2 风载荷的计算

2．2 波浪载荷

2．2．1 波浪理论

2．2．2 波浪理论的选取

2．2．3 莫里森公式

2．2．4 惯性力系数和拖曳力系数

2．2．5 群桩效应

2．3 海流载荷

2．4 本章小结

第三章 自升式海洋平台有限元模型及桩腿的动静力分析

3．1 平台有限元模型

3．1．1 MSC．PATRAN／NASTRAN有限元介绍

3．1．2 平台介绍

3．1．3 平台尺寸及设计参数

3．1．4 平台整体有限元模型

3．1．5 平台结构材料

3．2 边界条件

3．2．1 外部边界条件

3．2．2 内部边界条件

3．3 计算工况

3．4 载荷计算及加载

3．4．1 载荷的种类

3．4．2 重力载荷

3．4．3 环境载荷

3．4．4 P-△载荷

3．5 应力衡准

3．5．1 屈服应力衡准

3．5．2 屈曲应力衡准

3．6 静力分析

3．6．1 平台整体位移分析

3．6．2 桩腿应力分析

3．6．3 桩腿强度校核

3．7 模态分析

3．8 动力响应分析

3．8．1 瞬态动力响应求解方法

3．8．2 阻尼的求解

3．8．3 波浪力的加载

3．8．4 分析结果

3．9 本章小结

第四章 桩腿动力特性的单目标优化

4．1 优化算法理论

4．1．1 Isight软件优化算法介绍

4．1．2 模拟退火算法

4．2 桩腿动力特性的单目标优化模型

4．2．1 桩腿模型

4．2．2 桩腿分段优化方案

4．2．3 桩腿优化的数学模型

4．3 Isight优化仿真系统建立

4．3．1 优化方案

4．3．2 仿真集成

4．4 优化结果分析

4．5 屈曲校核

4．6 本章小结

第五章 桩腿设计变量灵敏度分析以及多目标优化

5．1 灵敏度基础理论及方法

5．2 多目标优化设计概述

5．3 多目标优化算法概述

5．4 多目标优化模型及结果分析

5．4．1 目标函数

5．4．2 约束条件与设计变量

5．4．3 灵敏度计算结果分析

5．4．4 优化结果分析

5．5 屈曲校核

5．6 本章小结

第六章 总结与展望

6．1 本文总结

6．2 展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文及研究成果