基于Inspire的导管架平台优化策略探究

摘要：

导管架是固定于海底用来支撑海洋装备的桁架结构，用来承受恶劣海洋环境下多种载荷的作用，如风载、流载、波载以及海冰载荷。合理的结构设计对减小结构的最大应力、振动以及疲劳破坏等有非常重要的作用。本文以 JZ20-2MUQ 导管架平台为优化对象，利用HyperWorks 的 Inspire 模块进行拓扑优化，求解得到清晰的桁架结构。对优化结果进行重建分析，发现优化后的模型重量、位移和最大应力均减小，刚度增加，为海洋工程结构物的设计提供了一种新的设计思路。

1 概述

导管架平台是目前世界上使用最多的一种海洋石油平台，是一种相当成熟和通用的平台型式。但是，由于导管架平台结构复杂、体积庞大、造价昂贵，所处的工作环境恶劣，在考虑安全性、经济性的前提下，对导管架平台设计提出了更高的要求[1]。 传统的海洋平台结构的设计是按照设计规范要求，采用“试算-验证-修改”设计方法进行的，这种设计方法需要耗费大量的人力和时间，所得到的设计方案往往只是满足规范要求 的一种方案。结构优化设计是结构设计理论的重要发展，已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。

2 模型建立

2.1 平台优化区域建模

进行导管架平台的拓扑优化首先要定义平台的设计空间，在平台的设 空间中可以根据需要随意布置骨架材料。要定义设计空间一般需要考虑加工 等实际需要，选取尽可能大的区域，以充分挖掘优化潜力。为避免拓扑优化 时改变所研究导管架平台的基本结构形式，仍然需要采用下部四腿支撑，上部甲板结构。具体优化空间如图 1 所示。

图 1 拓扑优化空间示意图

2.2 材料属性

计算中所使用的材料 为 Q345， 材料参数如下： 弹性模量为 E=210Gpa； 泊松比 υ=0.3； 密 度 ρ=7.85×1000Kg/m3。

2.3 环境载荷及约束

查得 JZ20-2MUQ 平台所处辽东湾的工作海况和极限工况如表 1，利用风、波、流以及冰的载荷公式求出平台所受载荷的大小 [4]。

表 1 环境载荷条件

对 模型施加载荷和约束 ，如图2所示，外加载荷主要考虑甲板上部的装备重量，用质量点代替，分别加载到模型的四个顶点上；环境载荷主要考虑极限工况下波流载荷和波浪载荷。对于模型的约束，主要是在模型底端施加四个固定约束，模型的四个面进行对称约束；另外考虑到甲板顶端的约束， 以极限工况下顶端的最大变形量 18mm 为约束条件。

图 2 拓扑优化空间加载图

3 优化结果分析

拓扑优化后，设计区域的单元密度值应尽量向 0-1 的两段逼近。这样，拓扑结构会更清晰；同时，希望在提高 模型结构刚度的基础上减轻结构重量，从而获得材料分布较优的方案，以在兼顾两者的基础上有一个合理的空间材料分布。

本文采用 HyperWorks 的Inspire 模块对平台模型进行优化，初始设置缩减体积为 80%， 约束模型顶部的最大位移，以结构的柔度最小为目标。通过对模型的拓扑优化，最后得到了较为清晰的桁架结构。图 3 所示为拓扑优化后的结果。

图 3 拓扑优化结果

从 图 3 可以看出，平台拓扑优化结果是明显的桁架结构 ， 底部支撑结构呈大的X 形桁架结构 ， 而且结构清晰，传力路径明显。 基于有限元的结构拓扑优化方法得到的平台结构优化方案是一个基本合理的承载结构，从而也证明了该优化方法的有效性。结构拓扑优化作为初始的概念性设计，可为工程设计人员提供结构优化的参考方案，设计人员还要根据实际经验和具体情况，做进一步的优化设计，才能设计出最终的产品。

4 可制造化处理

进行拓扑优化计算得到拓扑优化结果并经分析确定拓扑优化结果可信后， 即可对拓扑优化结果进行可制造化处理，根据工程经验来修整拓扑优化结果确定最终平台结构。对拓扑优化结果进行可制造化处理的路线如图 4 所示。

图 4 优化结果可制造化处理流程图

在进行拓扑优化结果可制造化处理时必须要遵循一定的原则，这样才能 保证处理得到的优化模型不会浪费材料并且具有良好的可制造性 [ 5 ]。一般来 说进行可制造化处理需要遵循的原则有：

1）对拓扑优化结果一些局部不合理的部分要进行改进。

2）尽量采用直杆取代拓扑优化结果中材料弯曲的部分。

3）构件平台结构时尽量选用较少的杆件 ，平台结构越简单，制造起来 越简单，而且制造成本也会降低。

4）保证平台骨架杆件组成尽可能多的三角形结构。

5）尽量是平台杆件相互衔接形成封闭环形 。封闭环形杆件的抗扭性能 比开口杆件更优 。

按照上述原则，将优化结果进行可制造化处理后得到的平台结构放 在 ANSYS 中进行海洋流体环境中进行仿真计算，结果显示 ，优化后平台质量减 小 3.98%，同时最大位移减小 44.36%，最大应力由 59.6MPa 减小为 22.4MPa，优化比例达 62.4%，有效减小平台质量，提高平台强度。

5 结语

本文以平台结构的重量最小为目标，施加海洋环境载荷 ，利用 Inspire 对平台结构进行拓扑优化设计。根据可制造化处理原则对拓扑优化结果进行可制造化处理， 获得轻量化、高强度的导管架平台结构，最大限度的降低海上风机的设计建造成本 。结果表明Inspire 软件可为海洋工程结构物的设计提供了一种新的设计思路，缩短设计周期，减少设计成本 。

免责声明：本文系网络转载或改编，未找到原创作者，版权归原作者所有。如涉及版权，请联系删