[發(fā)明專利]海洋導管架平臺的輕量化設計方法

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• 申請日: 2019-06-17
• 公開（公告）號: CN110414044A
• 公開（公告）日: 2019-11-05
• 發(fā)明（設計）人: 田曉潔;李道喜;王清揚;劉貴杰;謝迎春;劉運祥
• 申請（專利權）人: 中國海洋大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50
• 代理公司: 青島中天匯智知識產權代理有限公司 37241
• 代理人: 雷斐

1.一種海洋導管架平臺的輕量化設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)對海洋導管架平臺進行初始化建模，確定初始設計域；

(2)分析海洋導管架平臺所受的環(huán)境載荷；

(3)在海洋導管架平臺模型上施加邊界條件，邊界條件包括固定約束和環(huán)境載荷；

(4)確定優(yōu)化目標，以海洋導管架的最大剛度為目標，約束模型的體積；

(5)使用拓撲優(yōu)化軟件對海洋導管架平臺進行拓撲優(yōu)化；

(6)對拓撲優(yōu)化得到的模型進行形狀和尺寸優(yōu)化；

(7)使用有限元軟件分析優(yōu)化前后的海洋導管架平臺，并進行靜態(tài)和動態(tài)性能比較；

(8)滿足要求，則輸出最終優(yōu)化優(yōu)化模型，若不符合要求，重復步驟(5)至(7)，直到符合要求。

2.根據權利要求1所述的海洋導管架平臺的輕量化設計方法，其特征在于，所述海洋導管架平臺包括四根樁腿支撐，樁腿支撐不垂直于地面，樁腿支撐的截面呈梯形，樁腿支撐的頂部設置有頂部橫撐，頂部橫撐的上方固定有平臺，樁腿支撐的中部沿高度方向間隔設有數個橫撐，上、下橫撐之間通過斜撐連接；

所述海洋導管架平臺模型包括樁腿支撐和固定在樁腿支撐頂部的橫撐。

3.根據權利要求1所述的海洋導管架平臺的輕量化設計方法，其特征在于，步驟(2)中，所述環(huán)境載荷包括海風載荷、波浪載荷和海流載荷，其中單位面積的海風載荷為

P_f＝0.613v²(Pa)

式中v為設計風速(m/s)；

所述作用于水下單位面積的拖曳力載荷為

式中C_D為拖曳力系數，大小常取1；ρ為海水密度，常取值為1025kg/m³；U_C為流速(m/s)，

所述平臺桿件在波浪載荷區(qū)單位長度的波浪載荷為

式中ρ為海水密度，常取值為1025kg/m³；u_x和分別為與平臺桿件軸向垂直的相對速度和加速度矢量，根據斯托克斯五階波求解得到；C_M為慣性力系數，大小常取1.6；C_D為拖曳力系數，大小常取1。

4.根據權利要求1所述的海洋導管架平臺的輕量化設計方法，其特征在于，所述步驟(4)中剛度優(yōu)化的數學模型為

式中U表示海洋導管架平臺模型整體位移矩陣，F表示海洋導管架平臺模型整體力矩陣，K表示海洋導管架平臺模型整體剛度矩陣，u_e和k_e分別表示單元的位移矢量和剛度矩陣，x表示設計變量的向量，x_min是相對密度的最小向量，N是設計區(qū)域離散化的單元數量，p是懲罰因子，V(x)和V₀是材料體積和設計區(qū)域體積，f為規(guī)定的容積率。

5.根據權利要求1所述的海洋導管架平臺的輕量化設計方法，其特征在于，步驟(3)中，對海洋導管架平臺模型的約束是在模型底端施加四個固定約束點，模型的四個面進行對稱約束。

6.根據權利要求1所述的海洋導管架平臺的輕量化設計方法，其特征在于，步驟(3)中，海風載荷作用于導管架上方的海洋裝備和設計域高于海平面的部分，波浪載荷作用于設計域位于海平面處的部分，海流載荷作用于設計域低于海平面的部分；

對于導管架上方的海洋裝備所受的海風載荷，首先將重力簡化為等效質量點添加到四個樁腿支撐的上方，然后將海洋裝備受到的海風載荷加載到設計域的橫撐上，并附加力矩

7.根據權利要求1所述的海洋導管架平臺的輕量化設計方法，其特征在于，步驟(5)中，采用變密度法進行拓撲優(yōu)化，通過調整公式(1)中的密度閾值x得到海洋導管架平臺模型，拓撲優(yōu)化包括以下步驟：

(1)調整密度閾值，優(yōu)化出斜撐結構；

(2)將斜撐隱藏，調整密度閾值，優(yōu)化出橫撐結構；

(3)將上述步驟(1)得到的斜撐結構、步驟(2)得到的橫撐結構和頂部橫撐上方的平臺結合，得到拓撲優(yōu)化后的海洋導管架平臺模型。

8.根據權利要求1所述的海洋導管架平臺的輕量化設計方法，其特征在于，步驟(6)中，對步驟(5)拓撲優(yōu)化得到的海洋導管架平臺模型，假設海洋導管架平臺模型中導管架的尺寸，將尺寸數值輸入ANSYS軟件，對重建的模型進行形狀和尺寸優(yōu)化。