海洋平台优化设计的研究发展

摘 要：海洋平台是海洋资源开发的基础设施，是海洋工程作业的重要基地，海洋平台的结构复杂、成本较高，为了在保证海洋平台使用性能及可靠性的基础之上降低制造成本，必须要优化平台设计方案。就目前来说，海洋平台主要有浮式平台、自升式平台以及固定式平台几种，本文主要以自升式海洋平台为例重点论述海洋平台设计优化研究发展，仅为相关研究人员的工作提供参考。

关键词：自升式海洋平台；结构优化设计；选型优化设计；可靠性

截至目前，我国海洋平台的设计大多沿用的是传统的结构设计的方法，实际的设计工作中基本上都是根据相关设计规范，借鉴已有的同类型产品的设计经验拟定平台结构的尺寸，最后通过反复的试算验证修改完成设计过程，这种设计方法需要耗费大量的人力物力资源，且最终得到的设计方案并不一定是最优的。因此，为了有效地提高海洋平台设计的稳定性、可靠性，同时降低设计制造成本，许多企业及相关研究人员都在积极的探讨分析海洋平台的优化设计方法，下文主要以现阶段十分常见的自升式海洋平台为例就海洋平台的设计优化的研究发展问题进行探讨分析。

一、自升式海洋平台的基本情况

自升式海洋平台是天然气、石油等各种海洋资源开发时十分常见的一种移动平台，应用十分广泛，主要由升降系统、桩腿以及平台主体三部分组成，海洋平台的桩腿能够在一定范围内自由的升降，实际的作业过程中，桩腿会下伸到海底站立在海床之上。且根据作业水域的不同，桩腿的上部能够托起平台主体使其可以到达预定的高度进行工作。拖航时桩腿可以收回，但海面的风浪较大时不能拖航。自升式海洋平台的作业水深在12～550英尺之间，大多数在250～300英尺之间。这种自升式平台主要有沉垫式和独立桩腿式两种型式，桩腿的结构主要有桁架型和筒型两种，这种平台稳定性较好、具有较强的定位能力，可以应用于较深的海域，能够适应一些恶劣的工作环境，在大陆架海域海洋资源开发之中发挥着重要的作用，本文主要从三个方面就自升式平台结构优化设计研究发展问题进行探讨分析。

（一）结构优化设计

自升式海洋平台工作过程中水深会不断的变化，且变化范围比较大，因此桩腿的柔性较好，在风浪温度等外界环境因素的影响之下，位移及应力响应都比较大。相关研究显示，自升式平台结构的刚度、强度等等会受到桩腿结构构件尺寸、结构形状及拓扑形式的影响，部分研究人员在尺寸优化及有限元法理论基础上，使用Hyperworks优化软件研究分析了自升式平台桩靴结构的优化问题，优化之后的桩靴结构受力分布均匀性更好，重量大幅度降低，材料的利用率得到了有效的提高。研究人员采用ANSYS有限元软件分析了自升式平台齿轮齿条强度，通过对齿条齿轮的齿根圆角半径及尺宽的优化减轻了齿轮齿条的接触应力，增大了齿根的弯曲强度。

（二）选型优化设计

桩腿的主要作用是支撑平台主体，将平台受到的载荷传递到地基上，桩腿的安全性对于平台的稳定有着重要的影响，因此实际的设计工作中要保证桩腿结构的安全可靠，优化桩腿结构形式，能够使得桩腿受力更合理。

目前来说，自升式海洋平台主要有X型、K型、逆K型三种桁架式桩腿，我国有关研究人员使用有限元软件ANSYS对这三种桩腿结构形式进行仿真模拟，优化分析了逆K型桩腿结构，使其力学性能及经济性都得到了较大程度的提高。此后，研究人员同样使用该软件设计建立了参数化设计模型，采用分层优化的理论优化分析了三种结构形式桁架桩腿的选型，提出了一种能够应用于复杂海洋环境下使用的桁架托结构多约束条件优化模型，并利用该模型进行了优化设计实验，最终得出的桁架桩腿结构力学性能、安全性能均较好。由此可见，这种多约束条件优化模型效果比较显著，简单实用，工程应用价值较高。

（三）基于可靠性的平台结构优化设计

海洋平台是海上油气开采必备的基础生活基地及生产设备工作基地，实际的作业过程中面临着各种复杂的海洋环境，可能需要承受强风、海冰荷载、海浪、地震，且海水中含有大量的无机盐，海洋中有许多的海洋生物，这些因素都可能会侵蚀海洋平台，导致地基软化、地基老化，这都可能会影响到海洋平台的耐久性、安全度，海洋平台的安全稳定始终是设计研究人员讨论的重点。

平_结构安全评估的一个有效的方法即概率可靠性理论，现阶段该理论广泛应用于多个领域之中，目前自升式平台的结构可靠性优化研究正在不断的发展之中，取得了一定的研究成果。研究人员在对自升式海洋平台的结构特点进行详细的分析总结之后，将桩腿应力、平台甲板的位移作为主要的控制参数，对基于首次超越机制的平台整体的可靠度系数进行了分析计算；通过等效载荷法建立了一种结构极限状态方程，采用JC方法对自升式海洋平台结构系统的可靠度进行了估算，并提出了一种失效判断准则，探讨分析了海洋平台可靠性设计研究之中需要综合考虑的各种问题；通过平台基础失效面函数综合分析了海洋平台作业过程中可能会影响其可靠性的各种不确定因素，基于应变强化理论，提出了一种弹塑性模型，通过这种模型，仿真模拟分析了桩靴在土壤之中的运动情况、土壤参数的非线性、桩靴与基础之间的耦合作用，并将各种环境载荷（比如海浪、水流、大风等等）、平台基础、平台结构等等模型参数作为随机变量，进行结构的可靠性分析，利用响应面法，提出了一种新的相应方法，由短周期响应构造长周期，这是一种新的海洋平台可靠性分析方法，分析结果比较有效。

结束语

自升式海洋平台的结构十分复杂，造价较高，为了在保证平台可靠性、安全性的基础之上降低平台的造价必须要对平台结构进行优化，本文主要从选型、结构等几个方面就近些年来自升式海洋平台结构优化设计研究发展的情况进行了简单的归纳，希望能够对相关人员这部分的研究工作有所帮助。

参考文献：

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