專利名稱：多成分錨泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種海洋浮式結(jié)構(gòu)物的錨泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，適用于多成分錨泊線組成的錨泊系統(tǒng)，也可用于單一成分錨泊線組成錨泊系統(tǒng)的分析。屬于海洋工程應(yīng)用領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
海洋結(jié)構(gòu)物的定位方式最普遍的是采用錨泊系統(tǒng)，近年來，隨著深水油氣開采的開發(fā)，錨鏈、金屬繩、纖維繩等多種材料成分組成錨泊線，配以吸力錨、輕型錨等多點布置形式的錨泊系統(tǒng)應(yīng)用日趨廣泛。然而，材料的增多給錨泊設(shè)計帶來困難，傳統(tǒng)的單一材料組成的錨泊線變?yōu)橛啥喾N材料組成單根錨泊線，多種材料的重量、長度參數(shù)及其組合優(yōu)化問題復(fù)雜，難以確定合理的錨泊線設(shè)計參數(shù)。對這類錨泊系統(tǒng)的設(shè)計通常采用的設(shè)計方法是通過參考已有海洋結(jié)構(gòu)物的錨泊系統(tǒng)憑經(jīng)驗選取錨泊線參數(shù)，通過懸鏈線方程組(Russell J.Smith and Colin J.MacFarlane，Statics of a three component mooring line，Ocean Engineering，2001(28)，899-914.)的計算求解，進(jìn)行錨泊系統(tǒng)的設(shè)計。此外，基于懸鏈線方程開發(fā)的一些錨泊系統(tǒng)計算的軟件，比如國外比較著名的海洋工程錨泊系統(tǒng)設(shè)計軟件MIMOSA能優(yōu)化多成分錨泊線上的張力，降低單根錨泊線的最大張力。這些方法或軟件都有一個共同的缺陷，即對已有錨泊系統(tǒng)和多成分錨泊線參數(shù)進(jìn)行計算和優(yōu)化，但是這些參數(shù)如何得到，目前還沒有一種科學(xué)可靠的設(shè)計方法。傳統(tǒng)的經(jīng)驗分析方法在實際設(shè)計中由于人為因素可能造成錯誤，尤其是對于深水錨泊，可用作參考的海上錨泊結(jié)構(gòu)物資料少，因而經(jīng)驗方法的可靠性大大降低。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種新的用于多成分錨泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，在分析多成分錨泊線參數(shù)對整個錨泊系統(tǒng)的影響基礎(chǔ)上，有效解決錨泊系統(tǒng)設(shè)計參數(shù)確定問題，提高設(shè)計科學(xué)性、可靠性，易于在計算機(jī)上實現(xiàn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案中首先，確定錨泊線組成材料的單位長度重量與斷裂強度、單位長度重量與單位長度價格的關(guān)系。第二，建立最小錨泊線重量優(yōu)化模型，確定單根錨泊線的最小重量。第三，確定采用的材料的種數(shù)，選擇一組各成分的單位長度重量數(shù)值，結(jié)合錨泊線最小重量確定多成分錨泊線懸鏈線方程，求解得到多成分錨泊線的各材料的長度和錨泊系統(tǒng)的總回復(fù)力。第四，選擇材料的單位長度重量的取值范圍，對每一組值進(jìn)行計算即重復(fù)步驟3，得成本最小的錨泊線設(shè)計參數(shù)。并將各種材料單位長度重量的變化對總回復(fù)力和總成本的影響作圖，形成設(shè)計曲線圖譜，供選擇設(shè)備使用。
本發(fā)明的方法具體包括以下幾個步驟1.確定錨泊線組成材料的共性特征從各種錨泊線材料的產(chǎn)品信息擬合出材料的單位長度重量與斷裂強度、單位長度重量與單位長度價格的二次函數(shù)關(guān)系。
2.確定最小錨泊線重量以錨泊線的水平剛度系數(shù)和錨泊線的成本為兩個優(yōu)化目標(biāo)，建立最小錨泊線重量優(yōu)化模型，求解得到單根錨泊線的最小重量。
3.確定采用的材料種數(shù)、錨泊線各成分的長度和系統(tǒng)回復(fù)力確定采用的材料的種數(shù)，選擇一組各成分的單位長度重量數(shù)值，結(jié)合錨泊線最小重量確定多成分錨泊線懸鏈線方程組，采用線性規(guī)劃方法求解，得到多成分錨泊線的各成分的長度。隨后，根據(jù)平面非匯交力系計算得到系統(tǒng)的回復(fù)力。
4.確定最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，并建立設(shè)備選擇圖譜選擇材料的單位長度重量變化范圍，對每一組值進(jìn)行計算即重復(fù)步驟3，得成本最小的錨泊線設(shè)計參數(shù)。將各成分單位長度重量的變化對系統(tǒng)回復(fù)力及總成本的影響作圖，形成設(shè)計曲線圖譜，在設(shè)備選擇時使用，直接在圖中查找相應(yīng)參數(shù)。
本發(fā)明的方法提供了科學(xué)的確定錨泊系統(tǒng)參數(shù)的策略，解決了在多成分錨泊系統(tǒng)設(shè)計中各種材料參數(shù)及其組合優(yōu)選的問題。本發(fā)明提出的優(yōu)化方法模型簡潔，通過最小重量的確定巧妙解決了多參數(shù)的交互影響問題，為錨泊系統(tǒng)的設(shè)計提供合理初值，避免了不合理的選擇可能造成的錯誤。算法便于在計算機(jī)上實現(xiàn)，工作效率較高。


圖1為某材料單位長度重量與單位長度價格關(guān)系示意2為某材料單位長度重量與斷裂強度關(guān)系示意3為多成分錨泊線懸鏈線示意圖。
圖4為二成分錨泊系統(tǒng)的設(shè)計結(jié)果及圖譜示意圖具體實施方式
為了更好地理解本發(fā)明的技術(shù)方案，以下結(jié)合附圖和實施例作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
為更好的描述，先規(guī)定符號如下，可參考圖3Li、Si、hi——第i段(成分)錨泊線的線長度、水平長度、豎直長度；j——取值范圍從1～M，M為錨泊系統(tǒng)錨泊線的根數(shù)；i——取值范圍從1～N，N為單根錨泊線材料種數(shù)；QJ——單根錨泊線提供的水平力；Wk——第k段錨泊線傾角單位長度重量。
第一步確定錨泊線組成材料的共性特征確定錨泊線材料的單位長度重量與斷裂強度和單位長度價格的二次關(guān)系。如圖1、圖2分別為某種錨鏈的單位長度重量與單位長度價格、單位長度重量與斷裂強度的關(guān)系示意圖。
第二步確定最小錨泊線重量以最大化錨泊線的水平剛度系數(shù)kJ和最小化錨泊線的成本Cost為兩個優(yōu)化目標(biāo)目標(biāo)1最大錨泊線水平剛度系數(shù)kJ=dQJdδ=W‾2(W‾W‾′Z-tanhZ)---(1)]]>其中Z=Σi=1NWiSi2qΣi=1NWihi,]]>q=QJΣi=1NWihi,]]>W‾=Σi=1NWiLiΣi=1NLi,]]>W‾′=Σi=1NWiSiΣi=1NSi]]>目標(biāo)2最小造價min Cost＝單位長度成本×總長度+安裝成本＝單位重量成本×單位長度重量×總長度+安裝成本(2)＝∑WiLi·pricei+Costinstall
綜合得到最小重量模型為minfunction=Δλ/λ---(3)]]>其中λ=Σi=1NWiLi/(Qjkj)]]>第三步確定采用的材料種數(shù)、錨泊線各成分的長度和系統(tǒng)回復(fù)力采用的材料的種數(shù)為N，選擇一組單位長度重量數(shù)值[W1，W2，…WN]，結(jié)合錨泊線最小重量確定多成分錨泊線懸鏈線方程組，力學(xué)關(guān)系如圖3所示。若N大于2，在最小重量和水深兩個條件約束下采用線性規(guī)劃求解，若N等于2，直接求解方程組。求得結(jié)果為多成分錨泊線的各材料的長度。然后，根據(jù)平面非匯交力系計算得到系統(tǒng)的回復(fù)力。
第四步確定最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，并建立設(shè)備選擇圖譜由可選材料中斷裂強度最小的材料的單位長度重量最大值和最小值確定取值范圍，以錨泊系統(tǒng)總成本最小的為目標(biāo)函數(shù)重復(fù)步驟3的計算，得到最優(yōu)參數(shù)結(jié)果如圖4所示(曲線代表不同的系統(tǒng)回復(fù)力)。并將各成分單位長度重量的變化對總回復(fù)力及總成本的影響作圖，形成設(shè)計曲線圖譜。直接查該圖譜或根據(jù)圖中所示的設(shè)計曲線進(jìn)行插值，可選擇相應(yīng)的錨泊設(shè)備。
權(quán)利要求
1.一種多成分錨泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，其特征在于包括以下具體步驟1)確定錨泊線組成材料的共性特征從各種錨泊線材料的產(chǎn)品信息擬合出材料的單位長度重量與斷裂強度、單位長度重量與單位長度價格的二次函數(shù)關(guān)系；2)確定最小錨泊線重量以錨泊線的水平剛度系數(shù)和錨泊線的成本為兩個優(yōu)化目標(biāo)，建立最小錨泊線重量優(yōu)化模型，求解得到單根錨泊線的最小重量；3)確定采用的材料種數(shù)、錨泊線各成分的長度和系統(tǒng)回復(fù)力確定采用的材料的種數(shù)，選擇一組各成分的單位長度重量數(shù)值，結(jié)合錨泊線最小重量確定多成分錨泊線懸鏈線方程組，采用線性規(guī)劃方法求解，得到多成分錨泊線的各成分的長度，隨后，根據(jù)平面非匯交力系計算得到系統(tǒng)的回復(fù)力；4)確定最優(yōu)設(shè)計參數(shù)，并建立設(shè)備選擇圖譜選擇材料的單位長度重量變化范圍，對每一組值進(jìn)行計算即重復(fù)步驟3，得成本最小的錨泊線設(shè)計參數(shù)，將各成分單位長度重量的變化對系統(tǒng)回復(fù)力及總成本的影響作圖，形成設(shè)計曲線圖譜，在設(shè)備選擇時使用，直接在圖中查找相應(yīng)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明提出一種多成分錨泊系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計方法，可有效解決多成分錨泊線設(shè)計參數(shù)確定問題。首先回歸出錨泊線組成成分材料的共性特征，并建立優(yōu)化模型，求解單根錨泊線的最小重量。然后，求解多成分錨泊線懸鏈線方程，得各材料成分的長度。最后，不同的材料成分作多次迭代計算，得到最優(yōu)設(shè)計參數(shù)值，并將結(jié)果作成曲線圖譜，供設(shè)備選擇。本發(fā)明的方法提供了一種設(shè)計錨泊系統(tǒng)參數(shù)的優(yōu)化策略，解決了在多成分錨泊系統(tǒng)設(shè)計中各種材料參數(shù)及其組合優(yōu)選的問題，提高了設(shè)計科學(xué)性、可靠性。
文檔編號B63B21/00GK1583504SQ20041002488
公開日2005年2月23日 申請日期2004年6月3日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月3日
發(fā)明者余龍, 譚家華 申請人:上海交通大學(xué)