随着世界经济的快速增长,各国对石油、天然气等能源的需求越来越大,与此同时,内陆和近海的油气资源却日益枯竭,而深海石油储量丰富,因此未来的油气开发将走向更深的海域。大吨位海洋平台的诞生为人类的深海采油提供了必要的技术支持,其建造工艺已成为海洋工程界的研究热点,而如何将上部组块提升到指定高度,从而完成整体合拢,又是海洋平台建造的关键技术。本文针对某一海洋平台的具体结构,设计了大吨位上部组块提升系统,旨在缩短整个建造周期,提高工程质量。由于海洋平台上部组块造价昂贵,必须确保其提升作业的精度及安全性。因此,从提升系统结构设计方面考虑,必须给予系统各部件足够的可靠度。塔架作为提升系统中的重要承载结构件,受力状态复杂,其设计质量的好坏对整个提升系统的工作性能有重要的影响。既要考虑塔架的几何参数、材料特性以及外载荷的不确定性对结构的影响,保证塔架的可靠度,又要能够进行多参数的优化设计,得到重量最小的塔架,仅依靠可靠性设计或者确定性优化设计是无法兼顾的,必须把两种设计方法有机地结合起来,对塔架结构进行可靠性优化设计。本文首先基于ANSYS的二次开发技术,应用APDL语言。建立了塔架的参数化模型,作为确定性及可靠性优化设计的分析文件。对比分析了几种工况下塔架的受力情况,确定了优化设计的工况。选取对塔架结构失效影响最大的设计参数为优化分析变量,以强度、刚度设计要求为约束条件,塔架的重量最小为优化目标,建立了优化设计的数学模型。应用ANSYS软件中的优化设计模块对塔架进行分析,得到了它的确定性最优结构。其次,考虑设计信息的固有随机性对结构性能的影响,采用Monte-Carlo取样法,对塔架的确定性最优结构进行可靠性分析。选取最大冯氏应力、最大水平位移均小于各自许用值的概率不低于95%的准则,评判结构是否满足可靠性设计要求。确定了可靠性优化设计的思路,依据灵敏性分析结果及分散图,通过优化重要随机输入变量的取值区间,以使塔架满足可靠性设计要求。最终得到了具备足够可靠度,且重量最小的随机性最优塔架结构。最后,基于相似性理论,设计了大吨位上部组块提升系统样机模型,并对其进行了结构、液压及控制等方面的现场试验,获得了塔架关键部位的应力分布情况。通过对比分析实测的应力值与有限元的计算结果,证明了塔架结构建模方法与加载方式的合理性,从而有力支持了优化设计结果的准确性。
