王友(中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300459)

基于冰載作用下導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力的優(yōu)化

王友(中海石油（中國(guó)）有限公司天津分公司，天津300459)

導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)對(duì)與海洋資源開(kāi)采來(lái)說(shuō)有重要作用，對(duì)其結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化的研究有重要的實(shí)際意義。導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)通常會(huì)受到多種因素的影響，本文基于冰載作用的前提下，從統(tǒng)一設(shè)計(jì)變量方法和免疫遺產(chǎn)算法兩個(gè)方面對(duì)導(dǎo)管架海洋結(jié)構(gòu)動(dòng)力的優(yōu)化展開(kāi)討論，希望實(shí)現(xiàn)海洋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。

冰載作用；導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)；動(dòng)力優(yōu)化

目前，國(guó)內(nèi)外對(duì)導(dǎo)管架海洋結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究都有一定的進(jìn)展，主要集中在對(duì)靜載荷的分析上，但是一般海洋結(jié)構(gòu)受到的環(huán)境影響因素都可以歸類(lèi)為動(dòng)載荷，本文以冰載荷作為影響海洋結(jié)構(gòu)的主要因素，在此基礎(chǔ)上，展開(kāi)對(duì)海洋結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化的研究，從而促進(jìn)海洋動(dòng)力結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究的發(fā)展。

1 基于統(tǒng)一設(shè)計(jì)變量方法的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化

導(dǎo)管架海洋平臺(tái)會(huì)受到各種載荷的作用，其中動(dòng)載荷對(duì)海洋結(jié)構(gòu)的危害較大，因此，實(shí)現(xiàn)海洋結(jié)構(gòu)的動(dòng)力優(yōu)化是保證海洋平臺(tái)安全性的重點(diǎn)。以往的海洋平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)很少將截面變量和形狀變量同時(shí)作為考慮因素，由于兩種的量綱不同，兩種變量的換算使設(shè)計(jì)算法具有一定的難度。同時(shí)，人為使用分層優(yōu)化方法對(duì)兩者進(jìn)行耦合，雖然會(huì)使算法簡(jiǎn)便，但是正確率降低。本文考慮到以上算法存在的缺點(diǎn)，采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)變量方法進(jìn)行運(yùn)算，通過(guò)將兩種變量通過(guò)變量轉(zhuǎn)換，使兩者之間無(wú)量綱的差異[1]。首先以動(dòng)冰載荷為主要環(huán)境載荷，同時(shí)將截面變量和形狀變量作為考慮因素。再運(yùn)用有關(guān)軟件，建立變量模型，從而對(duì)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化進(jìn)行設(shè)計(jì)。首先確定目標(biāo)函數(shù)，導(dǎo)管架海洋平臺(tái)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目標(biāo)函數(shù)就是平臺(tái)結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量。根據(jù)以下公式算出最優(yōu)尺寸：

其中：n代表圓管構(gòu)件的組數(shù)；m代表每組構(gòu)件的數(shù)量；ρ、D、T、L分別代表密度、平均直徑、平均壁厚和圓管構(gòu)件長(zhǎng)度。對(duì)于尺寸和形狀優(yōu)化的運(yùn)算公式如下：

海洋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的約束函數(shù)包括頻率、動(dòng)位移、動(dòng)應(yīng)力和穩(wěn)定性等，本文將頻率和位移作為主要約束條件，可表示為，μj≤μa，f≥fa。其中μj表示第j個(gè)節(jié)點(diǎn)的動(dòng)位移；f為海洋平臺(tái)的固有頻率。導(dǎo)管架平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目標(biāo)是使結(jié)構(gòu)質(zhì)量盡可能輕，從而保證平臺(tái)的安全性，再根據(jù)設(shè)計(jì)算法運(yùn)行出的結(jié)果進(jìn)行尺寸設(shè)計(jì)。將統(tǒng)一算法與其他算法的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)采用統(tǒng)一設(shè)計(jì)變量方法進(jìn)行尺寸優(yōu)化時(shí)，平臺(tái)的質(zhì)量減少最多，從而證實(shí)了統(tǒng)一變量設(shè)計(jì)算法在海洋結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的可行性。

2 基于免疫遺傳算法的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化

以往在進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法設(shè)計(jì)時(shí)，大多數(shù)設(shè)計(jì)方法是在連續(xù)變量的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化，而實(shí)際上工程中的設(shè)計(jì)變量通常是離散型變量,并且采用連續(xù)變量作為設(shè)計(jì)變量，容易導(dǎo)致在進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)算時(shí)得出的解只是局部最優(yōu)解，不能作為全部解中的最優(yōu)解。目前也有多種有關(guān)離散變量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，包括可變?nèi)莶罘?、相?duì)差商法等，這些方法在解決數(shù)學(xué)問(wèn)題時(shí)有很大作用，但運(yùn)用在工程設(shè)計(jì)中，往往具有局限性較大，同時(shí)準(zhǔn)確度不高的缺陷。免疫遺傳算法綜合了免疫算法和遺傳算法的共同優(yōu)點(diǎn)，不僅可以使用最優(yōu)求解目標(biāo)函數(shù)的算法，還保留了搜素特性，使設(shè)計(jì)算法能高效準(zhǔn)確的進(jìn)行運(yùn)算，為解決結(jié)構(gòu)優(yōu)化問(wèn)題提供了便利。

免疫遺傳算法將目標(biāo)函數(shù)定義為抗原，將求出的解作為抗體。通過(guò)兩者的親和力、抗體濃度、遺傳算法對(duì)抗體的復(fù)制，交叉和變異計(jì)算獲得新抗體，來(lái)求得目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)解，從而實(shí)現(xiàn)海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)[2]。其中，目標(biāo)函數(shù)與統(tǒng)一設(shè)計(jì)算法相同，仍為結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量，約束條件主要為頻率和動(dòng)位移。抗體之間的差異性可由信息熵的方式表達(dá)出來(lái)，如果算法結(jié)果是由字母表中S個(gè)字母組成，其中信息熵是由字母表中其中一個(gè)字母出現(xiàn)在某個(gè)抗體位置的概率來(lái)表示的?？贵w濃度是指某些性質(zhì)相同或相似的抗體占整個(gè)抗體總數(shù)的比例，可由以下公式進(jìn)行計(jì)算，其中，N代表抗體總量，c為抗體的濃度。當(dāng)抗體與抗原之間的親和力較大時(shí)，抗體的存活概率大，反之，抗體生存能力較低。相似的抗體可以彼此促進(jìn)生存，這樣有利于縮小最優(yōu)值的范圍。本文的免疫遺傳算法采用了交叉和變異算子進(jìn)行遺傳運(yùn)算，通過(guò)兩種算法可以得出新產(chǎn)生抗體的數(shù)量，最后將抗體總?cè)褐信c抗原結(jié)合最好的抗體最為最優(yōu)解。

本文采用了免疫遺傳算法進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)運(yùn)算，以離散型變量為設(shè)計(jì)變量，主要指的是導(dǎo)管架鋼管的壁厚，在考慮動(dòng)載荷的基礎(chǔ)上，進(jìn)行平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。通過(guò)與以往算法得出的數(shù)據(jù)比較，優(yōu)化效果顯著，說(shuō)明免疫遺傳算法對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)有很大的參考作用，同時(shí)還具有良好的搜索能力和精準(zhǔn)運(yùn)行能力。通過(guò)數(shù)據(jù)可以得出，將免疫遺傳算法應(yīng)用在海洋結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中是可行的，具有很好的應(yīng)用價(jià)值。

3 結(jié)語(yǔ)

隨著我國(guó)海上石油資源開(kāi)采的發(fā)展，動(dòng)力優(yōu)化的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)是進(jìn)行海上作業(yè)的重要條件，已經(jīng)成為我國(guó)研究的重點(diǎn)。目前已經(jīng)存在多種進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化的算法，但大多是在考慮靜載荷的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。實(shí)際上，環(huán)境影響大多可以歸類(lèi)為動(dòng)載荷影響，為此，本文提出在考慮動(dòng)載荷因素對(duì)平臺(tái)結(jié)構(gòu)影響的前提下，進(jìn)行統(tǒng)一設(shè)計(jì)變量和免疫遺傳兩種方法的分析，希望對(duì)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)最優(yōu)化設(shè)計(jì)有一定的幫助。

[1]宋廣然,殷琪芮.探析地震作用下的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)動(dòng)力優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品,2016,(02):166.

[2]謝維維,秦立成,劉博,袁尚晨.波浪載荷作用下的導(dǎo)管架海洋平臺(tái)結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究[J].中國(guó)水運(yùn)(下半月),2013,(07):74-76+79.