多學科設計優(yōu)化技術在深水半潛式鉆井平臺概念設計中的應用研究.pdf

1、我國南海深海海域油氣資源豐富，號稱“第二個波斯灣”。我國現已計劃在南海海域進行海洋油氣勘探開發(fā)。已有地質資料表明，南海大部分油氣資源蘊藏在水深超過500米的海域。但是，我國海洋油氣開發(fā)企業(yè)目前所擁有的鉆井船和鉆井平臺，僅能在水深小于500米的海域進行鉆井作業(yè)。因此，中國海洋石油總公司攜手國內知名設計單位、船廠和高等院校，正在設計建造我國第一艘3000米水深半潛式鉆井平臺。目前我國船舶設計單位在新型海洋工程結構物的設計研究方面，與國外先進

2、企業(yè)相比，仍然有較為明顯的差距。出于短期經濟利益的目的，采用直接購買國外設計圖紙，或是由國外設計公司提供基本方案的方法，雖然可以滿足工期的要求，但是需要花費大量的資金，并難以獲得核心的設計方法和設計理念，而且在一定程度上壓制了我國設計單位自主創(chuàng)新能力的發(fā)展。本文對多學科設計優(yōu)化技術在深水半潛式鉆井平臺概念設計中的應用進行了研究。主要內容如下： (1)介紹了多學科設計優(yōu)化技術的發(fā)展歷程，以及國內外研究現狀。然后重點分析了MDO技術

3、的若干個關鍵技術，包括數學建模、試驗設計和多項式近似模型技術等，這些關鍵技術是合理應用MDO技術的核心。論文重點描述協同優(yōu)化過程(簡稱CO)的原理和工作流程，并以緩沖球鼻首的優(yōu)化設計為例，分析了協同優(yōu)化過程在船舶與海洋工程結構物設計中的適用性。研究表明，協同優(yōu)化過程有較理想的工程應用適用性。 (2)從半潛式鉆井平臺的特點出發(fā)，對其主要性能做了描述，并確定了半潛式鉆井平臺概念設計中所應用的學科分類和學科分析方法。論文選取了一個目標

4、平臺，選定了六個獨立設計變量，及設計變量的變化范圍。利用試驗設計技術，確定每個設計變量的變化水平。采用均勻設計表，確立了22個試驗工況。 (3)半潛式鉆井平臺的水動力性能是平臺作業(yè)者最關心的性能之一。研究中通過建立目標平臺的水動力分析模型，結合模型試驗結果修正系數，完成水動力分析。獲得了目標平臺的垂蕩運動、橫搖運動和氣隙性能在22個試驗工況中的分析結果，并利用近似模型技術，建立這三個水動力性能指標的近似模型。穩(wěn)性性能是半潛式鉆井

5、平臺設計中的重要性能之一。國際海洋工程界和大多數船級社對浮式生產系統的穩(wěn)性性能都有嚴格的要求。半潛式鉆井平臺的穩(wěn)性性能以系數K來衡量，并以平臺的橫穩(wěn)性性能為研究對象。采用簡化方法計算傾覆力矩，采用數值分析方法計算回復力矩。依據ABS規(guī)范，計算得到穩(wěn)性性能衡準系數K，并建立目標平臺的穩(wěn)性性能近似模型。探討了傳統的結構設計流程中存在的一些不足，以及利用多學科設計優(yōu)化技術，可以在詳細結構設計工作之初，就將半潛式鉆井平臺總體強度的要求體現在具體

6、的結構設計中。采用設計波法開展總強度分析，選定了四個典型波浪設計工況，完成目標平臺在設計波作用下的總體結構強度分析。根據結構應力分布，確定半潛式鉆井平臺箱型甲板的上甲板和立柱間區(qū)域為高應力區(qū)，并以四個典型波浪工況下結構應力的平均值作為衡量平臺總體結構強度性能的指標，建立結構性能的近似模型。 (4)在水池模型試驗、學科分析和多學科設計優(yōu)化技術的研究基礎上，利用協同優(yōu)化過程，完成了針對目標半潛式鉆井平臺的多學科設計優(yōu)化過程，獲得目標

7、平臺的概念設計優(yōu)化方案。通過調整約束變量對各性能要求的嚴格程度，一共完成了7次多學科優(yōu)化分析，并對這7次優(yōu)化分析結果進行評價，總結出多學科設計優(yōu)化的一大特點——“折中”。 (5)在總結多學科設計優(yōu)化技術在深水半潛式鉆井平臺概念設計中應用的基礎上，最后提出了利用MDO技術，協助設計師獲得新型海洋工程結構物概念設計方案的一種新思路和方法——“多學科設計優(yōu)化專家方法——MDOEXT”。論文對該方法的工作流程進行了詳細的描述，說明該方法