动力猫道支架的优化设计

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摘 要：重量控制是海洋平台结构设计重中之重，它影响到平台稳定、运动性能及平台作业能力。本文应用分析软件对动力猫道支架进行参数化优化设计，确保模块的在各个复杂工况下能够正常工作，同时模块的重量在控制范围内，从而完成结构的可靠性设计和优化设计。

关键词：优化分析；重量控制；猫道支架

DOI：10.16640/ki.37-1222/t.2016.03.083

0 引言

海洋平台可在较深海域作业，能适应较恶劣的海况条件， 具有良好的移运性[1]。在设计过程中确保平台强度和重量的合理性，是平台设计建造成功的关键[2-3]。对于海洋平台动力猫道支架模块的设计，采用参数化设计确保结构合理、强度足够，在各个恶劣工况下能够正常工作的同时，又能保证模块重量在控制范围内。

1 数学模型

对于猫道支架模块重量的控制，也就是对支架模块框架结构梁单元的重量控制，即梁的截面面积和长度作为变量输入进行控制；支架模块大梁在设备载荷作用下挠度较小和重量较小是作为目标函数输出。

输入变量为梁截面面积和长度，组焊H钢；目标函数有两个，分别是确保支架模块大梁的挠度最小和重量最小。截面的面积A、惯性距I和梁受到均匀载荷q时的最大挠度fmax分别为：

因此，模块强度和重量控制问题归结为对两个目标极小化的优化问题，建立数学模型如下，来寻求最优解。

采用有限元计算软件进行优化设计分析，分别在程序中定义设计变量和目标函数，同时在ANSYS中对设计变量设置上下偏差值进行50次迭代计算，部分优化结果如表1所示。

根据优化出的数据可以知道，最优解为第三列的数据，重量和挠度都比较小。对表1中第三列数据进行圆整，支架的主框架大梁采用H250×120×8×12，既能够满足力学性能的要求又能满足重量的控制，同理可得出支腿主梁结构截面。

2 支架模块有限元建模

根据最优解，采用ANSYS软件对支架模块进行整体建模。支架模块主体采用Beam44梁单元，对于支架上设备如隔水管和猫道机采用Mass21质量单元。建立的有限元模型如图1所示。

3 工况分析

动力猫机支架模块主要受到其自身主体重量以及设备载荷等，同时不同工况下对应的风载如表2所示，根据API Spec 4F规定，在最大迎风角度下计算动力猫道支架的风载；并根据AISC335-89《钢结构手册》中轴心压/拉弯组合的规定校核结构稳定性。

4 结果分析

对根据最优解所建的动力猫道支架模块进行求解，计算出最优解对应的支架模块各个工况下的力学性能。在这几个工况中，2工况属于较为恶劣的工况，因此下面只列出2工况的结果。

由图2可知，支架模块最大位移变形为29.7mm，位于支架的中间位置，在允许范围内；由图3可知支架模块最大应力为127.3Mpa，位移支架与钻台面的连接处；并且计算出结构的各杆件校核稳定值Uc值最大为0.65，且结构的应力均小于许用应力，因此该支架的强度和稳定性足够。

5 结论

模块重量控制是海洋平台设计的关键，通过参数优化分析得到的最优解来确定模块结构，从而进行下一步强度分析；既确保模块结构合理强度足够，又保证模块重量在控制范围内，确保结构的可靠性以及结构优化设计。

参考文献：

[1]段艳丽，张金平等.半潜式平台的波浪载荷计算[J].石油矿场机械，2006，35（02）：41-44.

[2]徐志海.海洋平台建造中重量、重心控制的意义和基本方法[J].船舶设计通讯，2011（127）：12-15.

[3]徐志海.中油海9号平台建造项目管理若干问题的研究[D].上海交通大学，2011（04）.