基于冰载作用下导管架海洋平台结构动力的优化

王友(中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300459)

基于冰载作用下导管架海洋平台结构动力的优化

王友(中海石油（中国）有限公司天津分公司，天津300459)

导管架海洋平台结构对与海洋资源开采来说有重要作用，对其结构动力优化的研究有重要的实际意义。导管架海洋平台结构通常会受到多种因素的影响，本文基于冰载作用的前提下，从统一设计变量方法和免疫遗产算法两个方面对导管架海洋结构动力的优化展开讨论，希望实现海洋结构的优化。

冰载作用；导管架海洋平台结构；动力优化

目前，国内外对导管架海洋结构优化的研究都有一定的进展，主要集中在对静载荷的分析上，但是一般海洋结构受到的环境影响因素都可以归类为动载荷，本文以冰载荷作为影响海洋结构的主要因素，在此基础上，展开对海洋结构动力优化的研究，从而促进海洋动力结构优化的研究的发展。

1 基于统一设计变量方法的导管架海洋平台结构动力优化

导管架海洋平台会受到各种载荷的作用，其中动载荷对海洋结构的危害较大，因此，实现海洋结构的动力优化是保证海洋平台安全性的重点。以往的海洋平台优化设计很少将截面变量和形状变量同时作为考虑因素，由于两种的量纲不同，两种变量的换算使设计算法具有一定的难度。同时，人为使用分层优化方法对两者进行耦合，虽然会使算法简便，但是正确率降低。本文考虑到以上算法存在的缺点，采用统一设计变量方法进行运算，通过将两种变量通过变量转换，使两者之间无量纲的差异[1]。首先以动冰载荷为主要环境载荷，同时将截面变量和形状变量作为考虑因素。再运用有关软件，建立变量模型，从而对海洋平台结构优化进行设计。首先确定目标函数，导管架海洋平台优化设计的目标函数就是平台结构的总质量。根据以下公式算出最优尺寸：

其中：n代表圆管构件的组数；m代表每组构件的数量；ρ、D、T、L分别代表密度、平均直径、平均壁厚和圆管构件长度。对于尺寸和形状优化的运算公式如下：

海洋结构优化设计的约束函数包括频率、动位移、动应力和稳定性等，本文将频率和位移作为主要约束条件，可表示为，μj≤μa，f≥fa。其中μj表示第j个节点的动位移；f为海洋平台的固有频率。导管架平台结构优化的目标是使结构质量尽可能轻，从而保证平台的安全性，再根据设计算法运行出的结果进行尺寸设计。将统一算法与其他算法的优化结果进行比较，可以发现采用统一设计变量方法进行尺寸优化时，平台的质量减少最多，从而证实了统一变量设计算法在海洋结构优化中的可行性。

2 基于免疫遗传算法的导管架海洋平台结构动力优化

以往在进行结构优化算法设计时，大多数设计方法是在连续变量的基础上进行优化，而实际上工程中的设计变量通常是离散型变量,并且采用连续变量作为设计变量，容易导致在进行复杂结构的优化设计运算时得出的解只是局部最优解，不能作为全部解中的最优解。目前也有多种有关离散变量的优化设计，包括可变容差法、相对差商法等，这些方法在解决数学问题时有很大作用，但运用在工程设计中，往往具有局限性较大，同时准确度不高的缺陷。免疫遗传算法综合了免疫算法和遗传算法的共同优点，不仅可以使用最优求解目标函数的算法，还保留了搜素特性，使设计算法能高效准确的进行运算，为解决结构优化问题提供了便利。

免疫遗传算法将目标函数定义为抗原，将求出的解作为抗体。通过两者的亲和力、抗体浓度、遗传算法对抗体的复制，交叉和变异计算获得新抗体，来求得目标函数的最优解，从而实现海洋平台结构的最优设计[2]。其中，目标函数与统一设计算法相同，仍为结构的总质量，约束条件主要为频率和动位移。抗体之间的差异性可由信息熵的方式表达出来，如果算法结果是由字母表中S个字母组成，其中信息熵是由字母表中其中一个字母出现在某个抗体位置的概率来表示的。抗体浓度是指某些性质相同或相似的抗体占整个抗体总数的比例，可由以下公式进行计算，其中，N代表抗体总量，c为抗体的浓度。当抗体与抗原之间的亲和力较大时，抗体的存活概率大，反之，抗体生存能力较低。相似的抗体可以彼此促进生存，这样有利于缩小最优值的范围。本文的免疫遗传算法采用了交叉和变异算子进行遗传运算，通过两种算法可以得出新产生抗体的数量，最后将抗体总群中与抗原结合最好的抗体最为最优解。

本文采用了免疫遗传算法进行结构优化设计运算，以离散型变量为设计变量，主要指的是导管架钢管的壁厚，在考虑动载荷的基础上，进行平台结构优化设计。通过与以往算法得出的数据比较，优化效果显著，说明免疫遗传算法对结构优化设计有很大的参考作用，同时还具有良好的搜索能力和精准运行能力。通过数据可以得出，将免疫遗传算法应用在海洋结构优化设计中是可行的，具有很好的应用价值。

3 结语

随着我国海上石油资源开采的发展，动力优化的导管架海洋平台结构是进行海上作业的重要条件，已经成为我国研究的重点。目前已经存在多种进行结构优化的算法，但大多是在考虑静载荷的基础上进行的。实际上，环境影响大多可以归类为动载荷影响，为此，本文提出在考虑动载荷因素对平台结构影响的前提下，进行统一设计变量和免疫遗传两种方法的分析，希望对实现结构最优化设计有一定的帮助。

[1]宋广然,殷琪芮.探析地震作用下的导管架海洋平台结构动力优化设计[J].中国新技术新产品,2016,(02):166.

[2]谢维维,秦立成,刘博,袁尚晨.波浪载荷作用下的导管架海洋平台结构优化研究[J].中国水运(下半月),2013,(07):74-76+79.