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导管架平台结构优化设计及疲劳分析摘要海洋平台是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。在风、浪、流等动载荷的作用下，有可能产生过大的振动响应，影响平台的安全性和工作可靠性。为追求投资效益，需要研究和探索新的设计理论及方法。本研究以实际的c i i 平台为对象，环境载荷主要考虑随机波浪作用，应用大型有限元软件a n s y s 对平台进行有限元建模，分析得到平台的动力响应：在此基础上应用蒙特卡罗模拟法和基于有限元的可靠性分析方法对c i i 平台进行了结构可靠性研究，对影响输出变量变化的因素作出评价，计算得到平台系统的可靠度；在充分考虑结构自身的刚度、强度和稳定等约束基础上对平台构件进行截面尺寸( 包含壁厚和外径) 的优化设计；在频域内对结构进行随机振动动力学分析得到平台的响应参数，在此基础上应用谱分析方法对平台管节点进行疲劳分析并估算结构的寿命。研究结果表明，对c i i 平台，可将导管架应力分布和其稳定性约束条件作为平台系统主要失效模式的判据，计算得到导管架构件的可靠性指标为2 0 7 ，可靠度为0 9 8 0 7 7 ；设计时桩柱和导管架如取较大外径可有效改善平台振动状况，以圆管构件的外径作为设计变量组，通过优化计算目标函数值，即平台总重量比原设计值减小了5 1 1 ，并且刚度、强度和稳定性均满足约束要求；在文中列举的三种海况共同作用下，平台的整体寿命约为2 8 2 年，结构在设计寿命内是偏安全的，这与实际情形相符。本文的研究方法和技术路线对海洋平台的，结构设计和安全评估具有实际参考价值。关键词：导管架海洋平台；可靠性分析；蒙特卡罗方法；优化设计；谱疲劳分析s t u d yo i lo p t i m u md e s i g na n df a t i g u ea n a l y s i sb a s e do nr e l i a b i l i t yo fa no f f s h o r ep l a t f o r ma b s t r a c ta st h eb a s i ce q u i p m e n to ft h ee x p l o i t a t i o no fo f f s h o r eo i l ，g a sr e s o u r c e sa n dt h eb a s eo ft h ew o r ka n dl i v i n ga tt h es e a ，a no f f s h o r ep l a t f o r mi sp l a y i n ga ni n c r e a s i n g l yi m p o r t a n tr o l ei np e t r o l e u mi n d u s t r i e s p r a c t i c a l l y , d y n a m i cl o a d i n g ss u c ha sw i n d ，w a v e ，c u r r e n te t c m a yc a u s eap l a t f o 咖t ov i b r a t ee x c e s s i v e l y , w h i c ha f f e c ti t ss e c u r i t ya n dw o r k i n gr e l i a b i l i t y t h e r e f o r e ，i ti sv e r yn e c e s s a r yt or e s e a r c ho na n dd e v e l o pn e wd e s i g nt h e o r i e sa n dm e t h o d si np u r s u i to f e c o n o m i ce f f i c i e n c y p r a c t i c a la p p l i c a t i o na n de n g i n e e r i n gr e q u i r e m e n t st a k e ni n t oa c c o u n t ，t h ed e v e l o p m e n to far e l i a b i l i t y b a s e do p t i m i z a t i o na n df a t i g u ea n a l y s i sm e t h o df o rs t r u c t u r a ld e s i g na n dl i f ep r e d i c t i o no faj a c k e tt y p eo f f s h o r ep l a t f o r mt h a ti se f f e c t i v ea n da c c u r a t ei sp r e s e n t e di n t h i st h e s i s i na c c o r d a n c ew i t ht h ea c t u a lo f f s h o r ep l a t f o r mc i io fb o h a io i lf i e l di nc h i n a ，af i n i t ee l e m e n tm o d e li sp r o p e r l ye s t a b l i s h e d ，o fw h i c ht h en a t u r a lf r e q u e n c i e s ，m o d a lp a r a m e t e r so fv i b r a t i o na n dr e s p o n s eu n d e ri r r e g u l a rw a v el o a d i n g sa r ec a l c u l a t e d f i r s t l y , t h er e l i a b i l i t ya n a l y s i so f m o n t ec a r l om e t h o di sc a r r i e do u to nt h es t r u c t u r e s e c o n d l y , t h es i z eo p t i m i z a t i o no fc o m p o n e n t si sm a d eo nt h eb a s i so fm e e t i n gc o n s t r a i n t ss u c ha ss t i f f n e s s ，s 仃e n g t ha n ds t a b i l i t y t h i r d l y , b a s e do ns p e c t r u mm e t h o d ，t h ef a t i g u ea n a l y s i si ss t e p p e df u r t h e ra n dt h el i f eo f t h ep l a t f o r mi se s t i m a t e d t h en u m e r i c a ls t u d i e ss h o wt h a tt h eo p t i m u mt o t a lw e i 曲to ft h ep l a t f o r mi s5 1 1 l e s st h a nt h eo r i g i n a l ( t h ep i p e s o u t e rd i a m e t e r sb e i n gt h ei n p u tv a r i a b l e s ) a n dt h ep l a t f o r m sa p p r o x i m a t el i f e i s2 8 2y e a r s ，w h i c hm e e t si t sn e e df u l l y t h er e s u l t sp r o v et h a t h em e t h o d sa n dt e c h n i c a ls o l u t i o n sp r e s e n t e di nt h i st h e s i sa r ep r a c t i c a b l ea n ds i g n i f i c a t i v e b a s e do nt h eo b t a i n e ds i m u l a t i o nr e s u l t s ，i ta p p e a r st h a tt h i sn e wm e t h o dc a np r o v i d ea na d v a n t a g e o u sr e f e r e n c ef o ru s e r se n g a g e di ns t r u c t u r a ld e s i g na n ds e c u r i t ye v a l u a t i o no f a no f f s h o r ep l a t f o r m k e yw o r d s ：j a c k e tt y p eo f f s h o r ep l a t f o r m ；r e l i a b i l i t ya n a l y s i s ；m o n t ec a r l om e t h o d ；o p t i m u md e s i g n ；f a t i g u ea n a l y s i so fs p e c t r u mm e t h o d独创声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含未获得( 适；翅遗直基丝孟墓挂型直盟的! 奎拦亘窒2 或其他教育机构的学位或证书使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：窖分罅签字日期：b 6 年6 月oe l学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权学校可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)学位论文作者签名：弯驴芝莓中新签字：侈彦珲签字日期：瑚6 年月f 。目签字日期：96 年6 月f 日学位论文作者毕业后去向工作单位：通讯地址：电话邮编导管架平台结构优化设计及疲劳分析1 前言1 1 工程背景与研究意义海洋平台结构是海洋油气资源开发的基础性设施，是海上生产作业和生活的基地。我国自上世纪6 0 年代在渤海勘探和开发海上石油以来，目前已建成海洋平台1 0 0 多座。我国海洋平台结构的主要形式是固定式导管架结构。2 1 世纪是海洋的世纪，各沿海国家对海上油、气、矿的开采进入了一个崭新的阶段。为了适于海上开采，适应更深海域、更恶劣海况作业的需要，各国相继开发出各类海洋钻探、开采、生活等平台。海上事故自平台投入使用以来时有发生f l j ，原因分析中很多问题涉及到平台柱桩在波浪载荷作用下产生疲劳损坏，而构件尺寸、形状和结构布局的不合理也是一个不可忽视的重要因素。为获得更高的投资效益，需要研究和探索新的设计理论与有效的优化技术。平台所处环境十分恶劣，在风、浪、流、地震等环境载荷联合作用下，平台不可避免发生持续振动。此外，环境腐蚀、海洋生物附着等不利因素都使得海洋平台的整体抗力随时间而衰减：影响平台的安全性和工作可靠性。如何在降低平i台造价的同时提高结构的可靠性，使之满足不同工作环境条件的需要，其意义十分重大。结构可靠性分析可以为结构的安全性评价和优化设计指明方向，具有实t 。际参考意义。在海洋平台设计中，环境腐蚀用“腐蚀余度”加以考虑，主要设计载荷为极、】值条件下的波浪、流和地震等载荷，而一次破坏性载荷如海啸、强地震等具有不，可预见性，研究结构的疲劳寿命问题更具有实际意义和工程价值。在海洋平台结构疲劳分析中，造成海洋结构疲劳破坏的主要形式是波浪载荷引起的结构动应力。海洋平台长期承受随机波浪荷载的作用，结构在这种交变荷载作用下，不可避免的发生疲劳。大量的工程实践表明：管节点是导管架平台结构最关键的部位，也是疲劳分析中最薄弱的环节，海洋平台的失事多半是由于管节点脆性断裂或疲劳破坏所致。目前，平台安装水深越来越大，海况越来越恶劣，管节点疲劳问题显得越来越突出，国内外开展了诸多关于海洋平台管节点疲劳强度的研究，以期得到一个合理而可靠的确定管节点疲劳强度和估算疲劳寿命的方法。海洋工程中常用的疲导管架平台结构优化设计及疲劳分析劳分析方法主要有两种，即基于线性累积损伤理论的疲劳分析方法和基于断裂力学理论的疲劳分析方法 2 - j o 。但由于导管架平台设计中存在许多不确定因素，因此管节点的疲劳分析现在尚无很成熟的方法。在此背景下，本文针对c i i 海洋平台的实际工作状况，在对其进行可靠性分析的基础上，进行了海洋平台结构优化设计及疲劳分析的相关技术研究，分析所得结论具有实际工程意义。1 2 结构可靠性分析发展概况结构设计时，应使所设计的结构在其使用期内，力求在经济合理前提下满足下列各项功能的要求：一、能承受在施工和使用期内可能出现的各种作用；二、在正常使用时具有良好的工作性能；三、具有足够的耐久性；四、在偶然事件发生时及发生后，能保持整体稳定。上述要求中，第一、四两项，关系到人身安全，结构具有的这种性质一般用结构的安全性来描述。第二项关系到结构的适用性，第三项则关系到结构的耐久性。结构的安全性、适用性和耐久性这三者总称为结构的可靠性。可靠性的数量描述一般用可靠度；安全性的数量描述则用安全度。可见，可靠度比安全度的含义更广泛，更能反映结构的可靠程度。早期工程结构设计一般采用容许应力法，随着结构分析方法的发展，出现了按破坏阶段设计法，它与容许应力法的主要区别在于考虑材料的塑性性质，以计算截面或构件甚至整个结构的承载能力，这两种方法实质上都是安全系数法，长时间实践证明其设计结构不够科学，历史上就有因此造成危害的工程实例【l ”。传统安全系数法设计中之所以存在问题，其原因在于没有考虑到如下事实：材料性能、构件尺寸以及结构的外来作用都是随机的几何量或物理量，而不是确定的单值量。为克服这些缺点，人们发展了- - f q 新的学科结构的可靠度。它是指结构或构件在规定的时间内，在规定的条件下具备预定功能的概率。可靠度设计是以承认结构有失效( 或破坏) 的可能性为前提的。结构从安全系数法设计到基于可靠度理论的设计，有一个过渡阶段，分为水准i 、水准i i 和水准i i i 三种导管架平台结构优化设计及疲劳分析设计方法。水准i 法就是“半经验半概率法”，水准i j 法就是一次二阶矩法，又称“近似概率法”，水准i i i 法亦称“全概率法”，是完全基于概率论的结构可靠度精确分析法。可靠度的研究早在上世纪3 0 年代就开始，当时主要是围绕飞机失效进行研究。5 0 年代开始，美国国防部专门建立了可靠度研究机构( a g r e e ) ，对一系列可靠度问题进行研究，促进了空间研究计划。可靠度在机构设计中的应用大概从4 0 年代开始。1 9 4 6 年，弗罗伊詹特发表题为结构的安全度的论文，开始较为集中地讨论这个问题。同期，前苏联的尔然尼钦提出了一次二阶矩理论的基本概念和计算结构失效概率的方法及对应的可靠指标公式。美国柯涅尔在尔然尼钦工作的基础上，于1 9 6 9 年提出了与结构失效概率相联系的可靠指标作为衡量结构安全度的一种统一数量指标，并建立了结构安全度的二阶矩模式。1 9 7 1 年加拿大的林德将可靠指标表达成设计人员习惯采用的分项系数形式，加速了结构可靠度方法的实用化。美国伊利诺斯大学洪毕生提出了广义可靠度概率法，他同邓汉忠合写的工程规划和设计中的概率概念一书己成为经典著作而广为流传。1 9 7 6 年，国际“结构安全度联合委员会( j c s s ) ”，采用拉克维茨和菲斯莱等人提出的通过“当量正态”的方法以考虑随机变量实际分布的二阶矩模式，这对提高二阶矩模式的精度意义极大，至此，二阶矩模式的结构可靠度表达式与设计方法开始进入实用阶段。在我国，结构可靠度问题的研究工作开展较晚。5 0 年代中期，开始采用前苏联提出的极限状态设计法。6 0 年代，土木工程界曾广泛开展结构安全度的研究与讨论。7 0 年代开始把半经验半概率的方法用于结构设计规范中，建筑、铁道、公路、水运和水利等部门联合编制了工程结构可靠度设计统一标准，我国结构设计方法进入一个新的阶段。近年来结构可靠性分析研究进展迅速。董聪【l2 j 回顾总结了结构系统可靠性理论的进展并建立了分析的统一理论；邓洪洲、孙秦等【1 3 j 研究了海洋平台结构系统疲劳可靠性评估方法；李宏伟、黄虎杰等【1 4 】应用j a v a 语言开发了基于因特网的海洋平台结构远程实时安全监测系统：杨志勇、肖熙等【l5 】分析了疲劳损伤、腐蚀损伤对海洋平台结构系统可靠性的影响，作了随时间变化的海洋平台结构系统可靠性分析。导管架平台结构优化设计及疲劳分析1 3 结构优化设计研究进展及现状我国海洋平台结构的设计是按照设计规范要求，采用“试算一验证一修改”设计方法进行，这种设计方需要多次重复“试算一验证一修改”过程，需要耗费大量的人力资源和设计时间，而且所得到的设计方案往往只是满足规范要求的一种方案( 不一定是最好的或较好的) 。结构优化设计是结构设计理论的重要发展，已经成为传统结构设计的一个有力辅助工具，其设计思想的内涵已不仅仅是追求体积最小或重量最轻，更重要的是要达到一种资源合理的优化配置。目前，国内外对海洋平台的优化设计研究还相对较少。根据优化设计变量、目标函数及约束条件的不同考虑，海洋平台优化设计的发展可分为以下几个方面：1海洋平台的静力优化设计国内外海洋平台的静力优化设计研究相对较多。目前海上结构的设计规范大多采用的是工作应力( w s d ) 方法。l r f d ( 荷载抗力分项系数设计) 方法结合w s d方法和可靠性理论的优点，既考虑了抗力与各种荷载的随机性又继承了w s d 设计方法。m a n u e l 掣1 6 3 在传统设计( w s d l r f d ) 方法的基础上充分运用了可靠性技术，对受波浪荷载的海洋平台进行设计。胡云昌掣”1 对渤海北部结冰海域海洋平台的l r f d 设计表达式的系数进行标定并优化，大大提高了材料的利用率。基于l r f d 法海洋平台优化设计简便实用，但必须根据不同的海域特点进行相关参数的标定。海洋平台优化设计的约束不仅需考虑到结构自身的强度、刚度和稳定性约束，还需考虑桩基承载力约束( 桩一土相互作用) 等，而桩与地基的作用很大程度上主导了结构抗力的不确定性和敏感性。封盛等【l8 】研究了如何处理应力约束、桩基横向承载力约束和构件长细比约束，即取构件截面最大m i s e s 应力，桩项侧位移或最大抗力比和受压构件长细比；基于此对海洋平台优化设计，减少了约束条件数目，提高优化模型的求解效率【l9 】。海洋平台结构优化设计研究主要集中在尺寸优化，国内外不少学者充分地利用各种优化技术和先进的分析软件对海洋平台结构进行优化设计。鲍莹斌等2 0 】提出张力腿平台的尺寸优化模型，并以平台造价为目标函数，考虑尺寸约束、运动约束和强度约束，用约束变尺度法进行了优化设计，为张力腿平台的概念设计提供了一种有效的工具。杨树耕等【2 l 】在建立桶基平台有限元分析模型的基础上对导管架平台结构优化设计及疲劳分析桶基火炬平台采用遗传算法进行了优化设计。胡涛、肖熙1 2 2 i 采用m s c n a s t r a n程序，对导管架式海洋平台进行三维有限元分析。在此基础上以部分优化( 将平台主体结构的桩基和导管架的主要构件尺寸作为设计变量) 和整体优化( 将整个平台主体结构的主要构件尺寸作为设计变量) 进行平台结构整体优化设计。f a r k a s 2 3 】对导管架平台常用的粱一柱式支撑结构进行了分析，并建立了纯弯及偏心受压情况下的优化模型。l e s s o n 2 4 j 提出了基于结构重分析技术与部分最优化相结合的优化方法，对导管架海洋平台进行优化，取得了较好的效果。n o r d g r e n 2 5 】采用最小化基于重量的费用函数方法，对张力腿平台( t l p ) 系统的尺寸进行优化，其中设计约束包括最小张力，最大拉应力，在流、浪作用下平台的最大补偿，由于共振系绳( t e t h e r ) 的最小疲劳寿命。r u l e 2 6 】提出一种新的响应面方法，把响应面技术与零次优化策略相结合进行海工结构优化设计，并指出这种方法的效率很大程度上依赖于结构体系的属性和初始设计的选择。结构的拓扑形式和几何形状不仅决定了海洋平台结构所占空间的大小和重量，而且直接影响结构的受力状态。刘书田等【2 刀以实际环境荷载作用下的海洋导管架平台结构为对象，研究了海洋平台在多荷载模式和多荷载工况下的优化设计的理论方法和应用技术，对导管架海洋平台结构进行尺寸优化、形状优化和拓扑优化。r u l e 2 8 1 提出了一种新的海工结构自动合成拓扑形式的算法，通过输入结构的设计约束等基本信息，产生了有限的单元网格，并且合成一种有效的拓扑结构。形状和拓扑优化技术是改进设计的有效手段，形状优化比尺寸优化所得设计更优，而拓扑优化的设计效果最好，但形状、拓扑优化较尺寸优化困难，理论和方法尚不完善。海洋平台结构的选型是一个综合性很强的决策问题，需要考虑很多因素，包括人们的经验、认识、以及当前的经济情况等经过综合判定确定。结构选型的优劣将在很大程度上影响整个工程上项目功能的实现及经济性能的好坏。康海贵等t z 9 珈1 建立了导管架海洋平台结构形状优化模型及相应的优化方法，并且采用优选的方法对近海导管架平台进行了多目标模糊选型优化，得出较为理想的平台结构型式。衣伟等【3 l 】根据我国边际油田储油构造小、分散的特点，考虑渤海地区环境及地质条件，采用综合比较的方法选择了适合近海边际油田开发的混凝土平台型式，并且对其进行了优化设计，分析了各约束对平台造价的影响，确定了平台导管架平台结构优化设计及疲劳分析的适应范围。张志强等【3 2 】在对轻型平台进行综合分析的基础上提供备选平台结构型式，建立了轻型平台选型优化的层次分析模型。通过模型的求解，获得了最优平台类型。g i b s o n p 3 指出对某一海域，海洋平台结构的型式选择主要依赖于海洋环境的恶劣程度、海床特征、地基土的性质以及有无储油要求等。2海洋平台的动力优化设计本质上讲，海洋平台所受到的环境荷载都是动荷载，因此，海洋平台在动荷载作用下的动态响应特性关系到结构能否发挥正常的性能和保持良好的工作状态，是结构设计的一项重要指标。海洋平台结构动力优化与静力优化相比，理论和方法尚不尽完善，迄今海洋结构的动力优化大都集中在一些相对简单的问题上。例如以频率等动态特性作为约束或目标，以动力响应( 动应力，动位移) 为约束的动力优化设计工作相对较少，而基于可靠度的结构动力优化设计更是风毛麟角。在海洋平台结构动力优化问题中，结构动态响应与设计变量的关系是高度非线性，优化设计中，可行域性态不良( 可行域可能是多连通的) 使得优化问题的难度增加。针对这些困难，顾元宪等【3 4 】提出可行域调整、近似一维搜索、自适应运动极限等改进方法形成鲁棒性很强的优化求解算法：对稳态频率响应采用在振型空间直接求解敏度方程的算法，对瞬态动力响应采用基于n e w m a r k 积分的直接求导方法，并在j i f e x 程序系统中实现。王兴国、周晶i ”1 利用海洋平台结构优化模型，结合结构动力分析和优化算法软件对基于地震作用下的海洋平台进行优化设计。c l a u s s 和b i r k 3 6 提出了流体动力形状优化程序( t a n g e n ts e a r c hm e t h o do fh i l l e a r y ，正切搜索法) ，采用非线性算法( n l p ) 使选择的目标函数( 停工期) 最小化，由于强大的自动生成形状和离散化技术使得不同类型的海工结构得到最优化。m a r k i e w i c z 和m a r i a i l f 3 7 】对建立在地震活跃区的大型轴对称海工结构的形状优化问题进行分析，把地震引起的最大流体动力作为目标函数并使之最小化。在线性流体动力学的假定下，利用连续的二次规划算法，解决了此结构的形状优化问题。3基于可靠性的海洋平台优化设计由于在海洋平台的设计中，存在着包括荷载环境、结构本身特性及分析方法等诸多不确定性，因此在海洋平台设计中，必须充分考虑这些不确定性。目前对海洋平台结构进行可靠性分析的研究较多，但进行可靠性优化设计却有诸多困导管架平台结构优化设计及疲劳分析难。例如体系可靠度的求解，主要失效模式的寻找，期望失效费用的确定等等。海洋平台结构体系可靠性是反映平台整体安全性能的重要指标，确定平台结构系统可靠度的关键是寻找结构的失效模式。对于导管架平台结构系统，只有上部甲板、导管架和桩基三个子系统处于正常工作状态，平台才能完成钻采等功能。导管架和桩基中的主要构件导管腿和桩失效均会使导管架和桩基失效，从而引起整个平台失效。因此导管架海洋平台可把导管腿和桩的失效作为主要失效模式。还可以把相邻层结构的层间变形作为平台结构的主要失效模式。张连营等 3 8 3 9 1利用损伤力学的非线性疲劳损伤模型，在随机海浪交变荷载作用下，给出了简易海洋平台疲劳、屈服可靠性优化设计。o n o u f r i o u l 4 0 综述了近期发展起来的高级结构分析和可靠度技术对海洋平台设计的影响，包括五个不同层次的优化设计水平：单元水平、系统水平、系统可靠度、基于系统水平的规范校核和全寿命设计。其中，单元水平和系统水平对海洋平台优化设计中有很明显的影响，而系统可靠度在规范校核、全寿命设计中的j 应用仍存在很大的局限性。在单元优化上，随着计算手段以及硬件设施的不断提，高，使得线性和非线性有限元方法在海洋平台结构设计中得以应用j 通过线性应ij 力分析和极限强度分析，使得单元在重量和制造费用上都有所减少，从而使得平，j j 台总费用大大降低。在系统优化上，利用高级结构分析和可靠度技术对固定式海洋平台在意外事件和极端环境下的予结构和整体大型结构进行设计。o n o u f r i o u 4 1 】对固定式海洋平台在极端荷载作用下系统可靠度分析中抗力的处理作了说明，对系统可靠度方法，包括基于概率准则的搜索算法、基于响应面技术的p u s h o v e r 分析、简化的系统可靠度法和基于“单元”的方法等进行了讨论；指出基于概率准则的搜索法一般适用于较高的复杂等级，基于“单元”一法适用于实际评估。目前对海洋平台结构的基于动力可靠度的优化研究较少，动力响应可靠性优化中可分为首次超越和疲劳寿命两类问题。朱位秋1 4 2 提出一种在随机激励下具有首次超越动力可靠性约束的优化数学模型，其中以结构参数为设计变量，动力响应数字特征极小化为目标函数，约束函数有动力可靠性约束，响应量矩约束和静态约束三种；陈建军【4 3 】提出将可靠性约束等价显示化的处理方法，使得原可靠性约束从形式上转变为常规约束。这些对海洋平台结构动力可靠性优化设计都有所帮助。导管架平台结构优化设计及疲劳分析导管架海洋平台的确定性优化设计将强度和刚度等约束刚性化，可能使一些非常好的方案甚至是最好方案排除在外。问题的实质是被限制的物理量应该落在具有模糊边界的范围内，模糊优化是解决这一问题的较好途径。封盛、翟刚军【4 4 】建立了多设计准则，多约束条件的导管架平台模糊优化设计的模型，利用界限搜索法求模糊约束集和模糊目标集的最优水平截集，进而求得模糊优化问题的最优解。郭军等【45 】从模糊综合评判的角度出发，研究了海洋工程结构的多目标优化设计方法，给出了海洋平台桩腿结构的模糊优化设计实例。4海洋平台的全寿命优化设计海洋平台设计应该从初始设计到维修直至失效的各个阶段作为一个完整并且相互联系的设计过程来考虑，遵循投资效益准则，就是在设计中除了考虑技术因素外，还考虑经济、社会、政治等诸多因素，它所追求的设计目标就是在结构寿命周期的总费用最小，即在结构的初始造价与结构未来的损失期望中，达到一种优化平衡。投资效益准则要求对结构进行全寿命总费用分析，包括初始造价和风险两个方面。结构风险不仅与失效概率有关，还和失效损失值有关。进行结构风险评估的目的就是要全面客观地反映结构的安全性、可用性与耐久性，从而为结构的设计与维护提供决策的依据。其中关键就是要找出风险费用( 包括初始费用、维护费用、损失费用) 与结构安全性要求之间的最佳平衡点。目前世界海洋石油界对海洋平台安全、风险问题极大关注 4 6 1 。挪威的d n v 公司已于1 9 9 1 年开发了风险评估软件包“海洋危险和风险分析工具箱”，英国于1 9 9 3 年颁布了海上设施( 安全状况) 条例，都对海洋工程系统中的风险评估方法及准则制定了相应规范性文件，但国内这方面还很少【4 7 】。余庆、肖髓 4 8 1 采用事件树方法，根据因果分析对海洋平台结构系统风险给出定量描述，并指出海洋平台的风险费用主要取决于低发生率、高后果的灾害事件，而通常认为很重要的疲劳失效对结构总的失效费用影响很小。胡云昌、黄海燕 4 9 1 将概率影响图的目标定向与风险分析中的f m e a ( 故障模式及影响分析) 方法相结合，构造系统分析模型，对海洋平台进行安全风险评估。w a n 9 1 5 0 j 针对当前英国海工安全规范发展状况，提出一些安全评估方法和理论框架，利用概率风险评估和主观模糊安全评估方法对海工系统进行安全评估。b e a 5 q 强调在海工结构的可靠度分析和概率风险分析中，质量和可靠导管架平台结构优化设计及疲劳分析度的重要性和两者之间的联系。并指出人为和组织因素的重要性，提出了减少故障发生、降低结构系统失效的策略。s h e t t y - 等1 5 2 1 利用定量风险分析技2 r ( q r a ) ，结构系统可靠性分析( s r a ) 年n 基于可靠性的优化设计( r b d o ) 对海洋工程进行防火最优设计，使得结构总体期望费用和失效费用最小化。目前的海洋平台优化设计大多是只考虑初始造价，而没有涉及到结构的风险问题。传统上的结构可靠性分析只是力图反映结构在某种状态下的随机特性与组合，而结构风险评估则综合了造成结构失效的原因以及失效造成的各种后果，并且能综合反映结构设计、建造、服役到报废的全寿命过程的动态随机特性。目前，考虑结构初始投资、维修费用和失效损失的全寿命优化设计已经越来越受到人们的重视。国外对海工结构的全寿命优化问题近年来也有很大的发展，针对不同的结构型式和工作环境提出了一些优化设计模型。b e a 5 3 】基于可靠度和风险评估方法概括海工结构寿命周期内的风险特性，并且充分考虑了人为错误的发生和影响。在结构寿命周期内的风险和总费用中详细分析了内在( 自然因素) 和外在( 人为- - 、因素) 因素，结果提高了平台结构质量性能。p i n n a 5 4 】利用投资效益准则对澳j 大利亚独腿平台进行设计。其中初始费用依据其设计而定；失效费用的确定考虑叠了上下限失效费用，在平台结构的总费用评估中忽略了生命损失、环境破坏、生”，产损失等。d i m i t r i v l 5 5 1 对海洋环境下混凝土结构基于寿命周期费用来进行维护、调整。其中采用时变可靠度的模型来预测维修期望费用，最后指出检查时问间隔、贴现率、维修费用、服役寿命等对结构生命周期总费用影响很大。l e o n 【5 掣从结构寿命周期出发，针对石油平台风险管理提出了基于可靠度的投资，一效益准则模式。此模式将结构风险评估和社会、经济等问题融为一体，对维修费用、受伤费用、死亡费用、间接损失费用等评估模型作了详细描述( 各费用函数均与破坏等级有关，依赖于结构响应) 。g a r b a t o v 5 7 针对海上漂浮结构疲劳失效问题从经济观点出发，根据最小化维护费用来定性分析疲劳维护。将维修的总体期望费用划分为：由结构失效( 破坏) 而致的损失，与结构( 破坏) 程度无关的损失，为了进一步分析维护费用和最优检测问题引入了维护费用强度的概念。5海洋平台优化设计研究展望一海洋平台优化设计今后应该在以下一些方面进一步开展研究：1 ) 考虑海洋平台实际状况和环境因素的分析方法。结构响应分析是优化设计的导管架平台结构优化设计及疲劳分析基础。由于海洋平台一般都是钢结构，在极端环境荷载作用下，当其达到极限状态时材料往往都是高度非线性的，而焊接残余应力、腐蚀等对材料的非线性性能有很大影响，一般的线弹性方法根本不能反映其实际情况。因此，考虑材料非线性、焊接残余应力影响的分析方法，是今后需要进一步研究的问题。2 ) 基于数学模型与专家经验的海洋平台选型优化。海洋平台的选型是整个海洋平台优化设计的基础，对整个海洋平台设计方案的影响最大。海洋平台结构选型，受许多因素影响( 确定性的和不确定性的) ，很难简单的用最小费用单目标优化准则做出最佳决策。有必要引入多目标、多级模糊优选决策理论，最大限度的综合考虑相关专家的选型经验，建立起海洋平台选型优化的专家系统，从而能在特定的条件下，快速、简便地选择出较满意的海洋平台结构型式。3 ) 海洋环境荷载动力特性及海洋平台动力优化算法。海洋平台所受到的环境荷载本质上都是动荷载，目前海洋平台设计中这方面考虑的还不够，特别在冰区抗冰平台设计中，冰荷载的动力效应基本没有涉及。迄今海洋结构的动力优化大都集中在一些相对简单的问题上，而海洋平台动力优化中涉及到许多需进一步研究的问题，如能反映环境荷载动力特性、而又便于工程应用的荷载形式满捌是动冰荷载) ，适用于海洋平台动力优化问题的优化算法，包括动力响应的敏度分析、t动力约束的处理等。4 1 基于海洋平台功能的体系可靠度及高效的可靠度近似分析方法。海洋平台的可靠度分析是海洋平台中的一个重要研究领域，也是基于可靠度的海洋平台优化设计的基础。相对于构件可靠度来说，海洋平台的体系可靠度更为重要。目前常用的两种体系可靠度f 基于失效模式的体系可靠度和基于p u s h o v e r 3 j 析的整体可靠度) 都存在着一些局限性。比如，基于失效模式的体系可靠度，只考虑了理想材料的塑性铰失效模式；而且海洋平台结构失效模式数量多，相关性复杂，这种体系可靠度计算很困难；另外，这种体系可靠度只考虑了各个失效模式的失效概率，而没有考虑各个失效模式的后果。在基于p u s h o v e r 分析的整体可靠度中，只考虑结构体系的整体侧向破坏( p u s h o v e r ) ；而且计算的只是极端环境荷载下的静力可靠度，无法考虑动力可靠度问题( 如冰激振动等) 。因此，有必要将海洋平台体系可靠度与结构的功能( 包括人员舒适、正常生产、平台安全等功能) 联系起来，采用不同的平台响应指标来计算可靠度。导管架平台结构优化设计及疲劳分析由于可靠度分析需要多次结构重分析，计算量很大，寻求一种满足工程精度要求、计算简便的结构可靠度分析方法，也是今后需要研究的问题。另外，海洋平台结构材料性能、结构尺寸等的统计特性对于可靠度分析结果影响很大，因此，这方面的资料今后需要调查、统计、完善。5 ) 海洋平台全寿命总费用评估。海洋平台具有高技术、高投资、高风险的特点，因此海洋平台的全寿命优化、歧计必须遵循投资效益准则。海洋平台全寿命总费用评估的合理模型选取、平台结构主要功能的确定及描述、失效概率的计算和相应的功能失效损失值估计等都是需要进一步研究的问题。另外，可以尝试从其他角度来研究这个问题，比如利用模糊综合评判理论进行结构寿命周期损失期望的评估，从而在保证一定精度的前提下简化计算量。6 ) 考虑控制措施的海洋平台一体化优化设计。近年来，在海洋工程领域结构控制的理论研究与试验取得了许多进展，目前正在积极开展工作，争取应用到实际抗冰海洋平台中。结构控制作为一种辅助手段，与结构体系本身共同发挥作用来抵御环境荷载，减小振动，因此涉及到两类优化问题：一是抗冰海洋平台控制装置的优化设计，即对于特定的抗冰海洋平台设计方案进行控制装置参数及位置的优化设计。二是抗冰海洋平台和控制装置的一体化优化设计，比如，抗冰海洋平台设计中是否需要采用控制装置、采用什么控制策略和装置以及设计参数如何选取等问题与海洋平台结构本身的设计情况密切相关，所以结构控制装置的设计不应该单独考虑，而是应该根据设计目标( 如造价和性能等) 和海洋平台结构设计一起进行优化设计。7 ) 海洋平台优化设计软件开发。目前已有许多的通用结构分析软件和优化软件，另外海洋工程领域还有自己的专业软件，如何利用这些现有的软件资源，进行二次开发或集成，形成具有海洋平台优化设计及可靠度分析的软件，对于促进优化设计在实际海洋平台设计中的应用具有重要意义。1 4 结构疲劳分析方法研究进展及现状材料疲劳问题的研究1 1 1 1 9 8 0 年以来发展较快，世界各国每年发表有关疲劳方面的论文已超过1 0 0 0 余篇，说明疲劳问题愈来愈受到人们的重视。8 0 、9 0 年代的疲劳分析大体上集中于如下几个方面：导管架平台结构优化设计及疲劳分析1疲劳裂纹萌生与扩展( 注重微裂纹、短裂纹)国内基本上结束了那种把试验结果拟合成p a r i s 公式的状况，而逐步对疲劳裂纹萌生和扩展机制，特别是对浅、短裂纹问题予以注重并进行深入研究，虽然无突破性进展，但也获得了不少有益结果。林实【58 】作了浅裂纹条件下的疲劳裂纹扩展门槛值研究；杨正瑞1 59 j 用5 c 矛1 1 4 0 c r n i m o 钢研究了长、短裂纹在门槛值区域的疲劳裂纹扩展特性；王世道【6 0 】定量计算了疲劳裂纹伸张过程区内的疲劳损伤，以c o f f i n m a n s o n 关系作断裂判据，确定塑性累积损伤，从而得到裂纹扩展速率的定量表达式；于绶章【6 l j 利用有限元方法对疲劳裂纹扩展速率d a d n 进行了研究。2腐蚀疲劳( 偏重于定量分析和腐蚀疲劳机制与电化学保护)由于机械、结构所处的实际工况是多变和严酷的，故其安全直接受到威胁，所以人们希望结构有足够的可靠性，这样就必需了解材料强度的影响，特别是腐蚀环境效应和环境强度设计基准之间的关系。因此腐蚀环境下的疲劳问题成为结构强度设计、使用中的一个十分突出的问题。近年来对腐蚀疲劳裂纹扩展研究较多，特别是腐蚀疲劳的微观机制以及微现疲劳机制与宏观疲劳的关系。但至今尚未提出一公认的腐蚀疲劳机制，比较多的是采用“楔子效应”机制，即在中性腐蚀环境中，腐蚀溶解的结果产生腐蚀产物，这种腐蚀产物在循环压缩期间起楔子作用，促使裂纹壁面扩张，这就是所谓由腐蚀产物产生的“楔子效应”。还有一种流行机制是氢脆，即在裂纹顶端产生氢的吸附和扩散，而导致氢脆加速裂纹扩展。阴极保护对腐蚀疲劳的裂纹萌生和扩展有很大影响，近几年国内也开展了这方面的研究。结果表明阴极极化电位对疲劳寿命影响相当大，选择适宜的阴极电位和电流密度，可以得到同空气中几乎相等的疲劳寿命，然而过剩的阴极电位则促使裂纹扩展加速。腐蚀疲劳问题比较复杂，问题也很多，诸如电化学方面的研究、裂纹的萌生和扩展、s c c 效应、气体环境效应、频率效应、应力波形效应、平均应力效应等。此外，从实用角度出发，作为设计问题应尽快解决腐蚀环境下的焊接接头的疲劳特性、尺寸效应、表面裂纹扩展特性等。3焊接接头疲劳( 偏重于疲劳寿命分布的统计特性、残余应力的影响)焊接节点的疲劳问题是一个十分重要而又相当复杂的问题。李春林6 2 1 对船体导管架平台结构优化设计及疲劳分析钢焊接节点疲劳强度进行了试验，采用1 5 m n t i 、1 4 m n t i v 钢的对接接头、t 型接头、十字接头进行了疲劳强度与累积损伤研究；施勇跃【6 3 1 对m n t i 钥l 焊接工字梁和十字梁进行了疲劳强度试验研究。对于疲劳寿命分布的统计特性，左勇先 6 4 1 指出疲劳破坏的寿命分布模型应该是两段威伯尔分布的联合分布模型，并编制了在随机载荷下疲劳寿命分布的两段威布尔分布的联合分布模型预测的计算机程序，对4 0 c r 钢疲劳寿命分布预测计算结果和4 0 c r 目试件在随机载荷下疲劳试验结果有较好的吻合，首次解决了高存活率下的疲劳寿命分布问题。对于疲劳强度分布的统计特性，付伟民【6 5 】从理论上建立了疲劳寿命分布和疲劳强度分布的关系；范世民 6 6 1 利用升降法试验确定了疲劳强度分布规律：李春林 6 7 1 利用小子样升降法得到疲劳强度分布规律符合正态、对数正态和三参数威伯尔分布，但更加符合三参数威伯尔分布的结论。4随机载荷疲劳与寿命估算疲劳寿命估算出现偏差的主要原因之一是载荷假设，以往大都假设载荷为等幅循环一类的简单、规律性载荷。实际上机械、结构是承受许多随机因素影响的随机载荷作用，近年来随着实验条件的提高和计算机技术的发展与普及，随机载荷下的疲劳研究工作得以迅速开展。刘山之【6 8 1 用带中心孑l 的3 0 c r m n s i n i 2 a 和l c 4 铝合金试件，进行了块谱和随机谱的对比试验研究；伍义生【6 9 】、王中【7 0 】等将局部应力应变法应用于疲劳分析。近几年，疲劳分析的研究进展十分迅速。柳春图等【7 1 1 作了随机冰载荷下a 1 3 1钢的低温疲劳裂纹成长扩散试验；g a n d h i 掣7 2 1 研究了海水环境中硬质钢管节点的疲劳裂纹成长情形；l e e 等【7 3 1 分析了t 状管节点的强度影响因子；m o r g a n 等【7 4 1 建立了弯矩作用下k 型节点应力集中系数的分布参数方程；黄小平等7 5 7 6 1 作了压弯组合应力下高强钢焊接板表面裂纹的性能试验并计算了疲劳寿命；吴毓岑等【7 7 】研究了随机疲劳载荷对焊接接头裂纹扩展的影响；l o p e s 等1 7 8 1 应用神经网络实现了实时疲劳监测；f e r r e i r a 等7 9 1 作了基于断裂力学的直角型焊接节点的疲劳寿命预测。疲劳分析方法在海洋工程中得到了广泛应用。p i l l a i 等【8 0 】作了海洋工程检测的时域疲劳可靠性分析；s i d d i q u i 等1 8 1 1 研究了随机载荷下张力腿平台的疲劳断裂可靠性；方华灿等i 82 j 考虑海冰作用提出了海洋平台管节点疲劳寿命计算的一种新导管架平台结构优化设计及疲劳分析方法；蒋习民等 8 3 】结合现场应力测试和理论计算分析，应用简化的疲劳寿命分析方法对一实际的海洋平台进行了疲劳寿命分析；张立等8 4 1 提出了海洋平台结构损伤与寿命预测方法，并将此方法运用到一实际平台结构；方华灿等8 5 q 6 1 以渤海八号固定采油平台为例，对平台整体疲劳寿命进行了预测与分析；安伟光等8 7 1论述了基于检测结果的海洋工程结构张力腿平台系索系统的疲劳可靠性更新。1 5 本文主要工作本文分析、总结了国内外海洋平台结构优化设计及疲劳分析的研究现状，深入研