面向动力性能的抗冰导管架平台优化设计研究

论文摘要

考虑到我国渤海冬季结冰的环境条件和边际油田的油藏特性,渤海海洋平台多采用比较经济的钢质导管架固定式平台,并通过安装破冰锥体的措施来抗冰。多年的现场监测发现平台存在冰激振动现象,然而,现行平台设计规范没有明确冰激振动的处理方式,所以经济型抗冰振导管架平台的动力设计成为渤海海洋平台的关键问题。本文基于多年的冰激振动现场监测和冰荷载研究的成果,结合“十五”863项目“新型平台抗冰振的关键技术”（2001AA602015-1）,开展适用于渤海的面向动力性能的抗冰导管架平台优化设计研究。将基于性能的设计思想和优化概念引入新型平台抗冰振设计研究中,重点研究抗冰导管架平台的动力优化设计,深入讨论了抗冰导管架平台的性能定义、抗冰振设计动冰力的确定、冰激振动的分析和抗冰振优化模型的建立等关键问题,为渤海边际油田的经济型抗冰导管架平台设计提供相关的理论、方法与技术支持。本文主要研究内容如下:1.在基于性能的设计框架下,明确抗冰导管架平台的性能定义,提出在设计优化中把极值静力性能要求和动力性能要求加以区分处理的解决方案,对抗冰导管架平台明确提出了面向动力性能的优化问题的两种列式。2.强烈的冰激振动会导致显著的管节点动应力,这会引发节点的冰激疲劳。为了解决复杂管节点疲劳分析时精度和效率之间的矛盾,在可兼顾整体和局部结构特征的有限元模型的基础上结合虚拟激励法的特点,提出了一个复杂节点冰激疲劳分析的高效谱分析方法。3.针对有一类关注减重并需要考虑冰激疲劳的平台,如无人井口平台,从不同的角度入手将冰激疲劳和优化结合,分别提出了考虑节点疲劳寿命和考虑节点疲劳可靠性的两种抗冰导管架平台结构优化问题。4.提出了短期动冰力的概念和冰激加速度的条件超越概率的计算方法,在此基础上同时考虑海冰环境的不确定性和结构特性的差异,提出了确定面向抗冰导管架平台动力分析的短期动冰力的两种方法:基于失效概率的方法和基于损失期望的方法。5.针对有一类对冰激振动加速度要求高且需限制材料用量的平台,如有人居住的生活动力平台,提出了目标函数为冰激甲板加速度均方根值的抗冰导管架平台结构优化问题,在优化中整合了所建议的确定短期动冰力的方法,旨在解决在优化中需要考虑海冰环境不确定性和结构特性变化的问题。6.建立了抗冰导管架平台的概念模型,推导抗冰导管架平台的概念参数和整体性能之间的关系,给出了一个参数优化问题的表述,分析了参数对性能的影响,讨论了刚性和柔性抗冰设计的特点,指出适合渤海的经济型抗冰导管架平台设计应采用柔性抗冰设计,而面向动力性能的抗冰导管架平台优化是实现它的重要手段之一。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 研究背景及意义
• 1.2 冰荷载研究的发展概况
• 1.2.1 冰荷载的理论与试验研究
• 1.2.2 直立结构的冰荷载
• 1.2.3 锥体结构的冰荷载
• 1.3 结构设计理论的发展概况
• 1.3.1 结构优化设计
• 1.3.2 结构可靠性
• 1.3.3 基于性能的设计
• 1.4 抗冰平台的研究概况
• 1.4.1 抗冰平台的结构型式
• 1.4.2 抗冰平台的冰激振动研究
• 1.5 本文主要工作
• 2 面向性能的抗冰导管架平台优化
• 2.1 引言
• 2.2 我国抗冰导管架平台的研究概况
• 2.2.1 基于现场原型的锥体结构动冰荷载研究
• 2.2.2 抗冰导管架平台的失效模式研究
• 2.3 面向性能的抗冰导管架平台优化问题
• 2.3.1 抗冰导管架平台的性能定义
• 2.3.2 面向动力性能的抗冰导管架平台优化问题
• 2.4 小结
• 3 考虑疲劳的抗冰导管架平台结构优化
• 3.1 引言
• 3.2 复杂节点冰激疲劳分析的高效谱分析方法
• 3.2.1 复杂管节点热点应力的分析模型
• 3.2.2 改进的冰激疲劳谱分析方法
• 3.2.3 算例
• 3.3 考虑节点疲劳寿命的抗冰导管架平台结构优化
• 3.3.1 考虑节点疲劳寿命的抗冰导管架平台结构优化模型
• 3.3.2 算例
• 3.4 考虑节点疲劳可靠性的抗冰导管架平台结构优化
• 3.4.1 考虑节点疲劳可靠性的抗冰导管架平台结构优化模型
• 3.4.2 算例
• 3.5 小结
• 4 面向抗冰导管架平台动力分析的短期动冰力
• 4.1 引言
• 4.2 冰激加速度的条件超越概率
• 4.3 基于失效概率的方法
• 4.3.1 基于最大失效概率的方法
• 4.3.2 基于失效概率的显著性水平的方法
• 4.4 基于损失期望的方法
• 4.4.1 基于最大损失期望的方法
• 4.4.2 基于损失期望的显著性水平的方法
• 4.5 实例分析
• 4.6 小结
• 5 面向加速度的抗冰导管架平台结构优化
• 5.1 引言
• 5.2 冰激加速度性能
• 5.3 面向加速度的抗冰导管架平台结构优化模型
• 5.3.1 模型表述
• 5.3.2 面向加速度的结构优化的求解
• 5.4 实例分析
• 5.5 小结
• 6 面向性能的抗冰导管架平台概念参数研究
• 6.1 引言
• 6.2 概念模型及其性能评价
• 6.2.1 概念模型构造
• 6.2.2 基于概念模型的性能评价
• 6.3 性能的影响因素分析
• 6.3.1 整体静力性能
• 6.3.2 整体动力性能
• 6.4 面向性能的参数优化
• 6.4.1 参数优化模型
• 6.4.2 参数影响分析
• 6.4.3 改善性能的建议措施
• 6.5 小结
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 创新点摘要
• 参考文献
• 博士期间参与的科研和工程项目
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介