[发明专利]海洋导管架平台的轻量化设计方法

说明书

本发明涉及海洋导管架平台，尤其是一种海洋导管架平台的轻量化设计方法。包括以下步骤：对海洋导管架平台进行初始化建模，确定初始设计域；分析海洋导管架平台所受的环境载荷；在海洋导管架平台模型上施加边界条件，边界条件包括固定约束和环境载荷；确定优化目标，以海洋导管架的最大刚度为目标，约束模型的体积；使用拓扑优化软件对海洋导管架平台进行拓扑优化；对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化；使用有限元软件分析优化前后的海洋导管架平台，并进行静态和动态性能比较；满足要求，则输出最终优化优化模型。通过该方法优化后的模型在减轻一定重量的前提下，应力和位移也都有一定程度的减小，且结构整体的应力分布更加均匀。

技术领域

本发明涉及海洋导管架平台，尤其是一种海洋导管架平台的轻量化设计方法。

背景技术

随着近些年绿色经济的提出以及海上新能源的大力开发，对导管架平台的设计又提出了新的要求：提高结构性能，降低生产制造成本。对于传统海洋平台的设计制造，为保证资源开采的正常进行以及工作人员的安全，平台往往设计得较为保守，粗大而且笨重，并且整体受力不均匀；相应地，生产、安装等费用就高。而以往对平台结构的优化往往是在基于原有平台的基础上，对导管架组尺寸、位置等做有限的修整，优化的效果不是特别明显。随着近些年结构拓扑优化技术的发展，尤其是连续体的优化方面，优化速度、规模都有很大的提高。对于桁架类结构的拓扑优化，可以直接通过建立连续体模型，通过对连续体结构直接优化，得到合理的传力路径的桁架类结构，适用于海洋工程结构物的设计研究。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中存在的上述问题，提出了一种海洋导管架平台的轻量化设计方法，通过该方法优化后的模型在减轻一定重量的前提下，应力和位移也都有一定程度的减小，且结构整体的应力分布更加均匀。

本发明的技术方案是：一种海洋导管架平台的轻量化设计方法，包括以下步骤：

(1)对海洋导管架平台进行初始化建模，确定初始设计域；

(2)分析海洋导管架平台所受的环境载荷；

(3)在海洋导管架平台模型上施加边界条件，边界条件包括固定约束和环境载荷；

(4)确定优化目标，以海洋导管架的最大刚度为目标，约束模型的体积；

(5)使用拓扑优化软件对海洋导管架平台进行拓扑优化；

(6)对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化；

(7)使用有限元软件分析优化前后的海洋导管架平台，并进行静态和动态性能比较；

(8)满足要求，则输出最终优化优化模型，若不符合要求，重复步骤(5)至(7)，直到符合要求。

本发明中，所述海洋导管架平台包括四根桩腿支撑，桩腿支撑不垂直于地面，桩腿支撑的截面呈梯形，桩腿支撑的顶部设置有顶部横撑，顶部横撑的上方固定有平台，桩腿支撑的中部沿高度方向间隔设有数个横撑，上、下横撑之间通过斜撑连接；

所述海洋导管架平台模型包括桩腿支撑和固定在桩腿支撑顶部的横撑。

步骤(2)中，所述环境载荷包括海风载荷、波浪载荷和海流载荷，其中单位面积的海风载荷为

P_f＝0.613v²(Pa)

式中v为设计风速(m/s)；

所述作用于水下单位面积的拖曳力载荷为

式中C_D为拖曳力系数，大小常取1；ρ为海水密度，常取值为1025kg/m³；U_C为流速(m/s)，