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原文传递多学科设计优化技术在深水半潜式钻井平台概念设计中的应用研究

论文题名：	多学科设计优化技术在深水半潜式钻井平台概念设计中的应用研究
关键词：	船舶工程;海洋钻井平台;船舶设计;多学科协同
摘要：	我国南海深海海域油气资源丰富，号称“第二个波斯湾”。我国现已计划在南海海域进行海洋油气勘探开发。已有地质资料表明，南海大部分油气资源蕴藏在水深超过500米的海域。但是，我国海洋油气开发企业目前所拥有的钻井船和钻井平台，仅能在水深小于500米的海域进行钻井作业。因此，中国海洋石油总公司携手国内知名设计单位、船厂和高等院校，正在设计建造我国第一艘3000米水深半潜式钻井平台。目前我国船舶设计单位在新型海洋工程结构物的设计研究方面，与国外先进企业相比，仍然有较为明显的差距。出于短期经济利益的目的，采用直接购买国外设计图纸，或是由国外设计公司提供基本方案的方法，虽然可以满足工期的要求，但是需要花费大量的资金，并难以获得核心的设计方法和设计理念，而且在一定程度上压制了我国设计单位自主创新能力的发展。本文对多学科设计优化技术在深水半潜式钻井平台概念设计中的应用进行了研究。主要内容如下： (1)介绍了多学科设计优化技术的发展历程，以及国内外研究现状。然后重点分析了MDO技术的若干个关键技术，包括数学建模、试验设计和多项式近似模型技术等，这些关键技术是合理应用MDO技术的核心。论文重点描述协同优化过程(简称CO)的原理和工作流程，并以缓冲球鼻首的优化设计为例，分析了协同优化过程在船舶与海洋工程结构物设计中的适用性。研究表明，协同优化过程有较理想的工程应用适用性。 (2)从半潜式钻井平台的特点出发，对其主要性能做了描述，并确定了半潜式钻井平台概念设计中所应用的学科分类和学科分析方法。论文选取了一个目标平台，选定了六个独立设计变量，及设计变量的变化范围。利用试验设计技术，确定每个设计变量的变化水平。采用均匀设计表，确立了22个试验工况。 (3)半潜式钻井平台的水动力性能是平台作业者最关心的性能之一。研究中通过建立目标平台的水动力分析模型，结合模型试验结果修正系数，完成水动力分析。获得了目标平台的垂荡运动、横摇运动和气隙性能在22个试验工况中的分析结果，并利用近似模型技术，建立这三个水动力性能指标的近似模型。稳性性能是半潜式钻井平台设计中的重要性能之一。国际海洋工程界和大多数船级社对浮式生产系统的稳性性能都有严格的要求。半潜式钻井平台的稳性性能以系数K来衡量，并以平台的横稳性性能为研究对象。采用简化方法计算倾覆力矩，采用数值分析方法计算回复力矩。依据ABS规范，计算得到稳性性能衡准系数K，并建立目标平台的稳性性能近似模型。探讨了传统的结构设计流程中存在的一些不足，以及利用多学科设计优化技术，可以在详细结构设计工作之初，就将半潜式钻井平台总体强度的要求体现在具体的结构设计中。采用设计波法开展总强度分析，选定了四个典型波浪设计工况，完成目标平台在设计波作用下的总体结构强度分析。根据结构应力分布，确定半潜式钻井平台箱型甲板的上甲板和立柱间区域为高应力区，并以四个典型波浪工况下结构应力的平均值作为衡量平台总体结构强度性能的指标，建立结构性能的近似模型。 (4)在水池模型试验、学科分析和多学科设计优化技术的研究基础上，利用协同优化过程，完成了针对目标半潜式钻井平台的多学科设计优化过程，获得目标平台的概念设计优化方案。通过调整约束变量对各性能要求的严格程度，一共完成了7次多学科优化分析，并对这7次优化分析结果进行评价，总结出多学科设计优化的一大特点——“折中”。 (5)在总结多学科设计优化技术在深水半潜式钻井平台概念设计中应用的基础上，最后提出了利用MDO技术，协助设计师获得新型海洋工程结构物概念设计方案的一种新思路和方法——“多学科设计优化专家方法——MDOEXT”。论文对该方法的工作流程进行了详细的描述，说明该方法是一种建立在多学科设计优化基础上的，能够有效地分配并协调顶层设计专家和普通设计人员之间的工作交流，比较适合于开展新型海洋工程结构物概念设计工作的一种新设计理念和设计方法。
作者：	胡志强
专业：	船舶与海洋结构物设计制造
导师：	崔维成
授予学位：	博士
授予学位单位：	上海交通大学
学位年度：	2008
正文语种：	中文