浅谈海洋平台结构可靠性的优化设计

倪令芹

摘 要：近年来，我国的石油事业获得了快速的发展，并逐渐加大了海洋平台的建设。在该项工作开展中，因海洋平台成本高以及结构复杂特征的存在，则使其在结构设计方面具有了更高的要求。在本文中，将就海洋平台结构可靠性的优化设计进行一定的研究。

关键词：海洋平台；结构；可靠性；优化设计；

引言

在现今海洋平台建设当中，结构设计可以说是非常重要的一项工作，在以往设计当中，需要进行重复的验证，无论是时间还是资源都具有较大的耗费量，且并不能够保证方案设计的有效性。对此，即需要能够积极做好结构优化设计工作，以可靠性为基础，保障设计效果。在本研究中，将就该方面行业当中的研究情况进行分析与介绍。

1海洋平台的静力优化设计

就目前来说，国内外在海洋平台静力优化方面具有较多的研究。工作应力法是现今海上结构设计当中经常应用到的规范，其中，LRFD即是一种结合了可靠性理论以及工作应力法的方式，在实际应用当中，其不仅对不同荷载以及抗力的随机性进行了考虑，且对工作应力法进行了集成。目前，有较多人员通过该方式开展实际优化设计，有效的提升了材料使用率。该方式在实际应用当中具有实用以及简单的特点，为了保障其应用效果，即需要在充分联系海域特点的基础上标定相关参数。

在实际海洋平台优化设计当中，在约束方面不仅需要对结构自身的强度、稳定性约束以及刚度等进行考虑，且需要能够对桩基承载力约束进行考虑。对于地基以及桩来说，其在此过程中也具有非常重要的应用，对结构抗力的敏感性以及不确定性具有十分重要的主导作用。目前，有研究人员对约束处理方式、构件长细比约束的设计方式进行了研究，即通过对构件截面最大Mises应力的应用进行设计，在对受压构件长细比以及桩顶侧位移进行研究的基础上开展设计，在实现约束条件数目减少的基础上实现模型求解效率的优化。

2海洋平台的动力优化设计

从本质角度来说，海洋平台在实际运行当中将受到来自环境的动荷载影响，在动荷载影像下，其所具有的动态响应情况则将对结构的工作状态以及性能发挥产生影响，也是实际开展结构设计工作当中的关键指标类型。同静力优化方式相比，动力优化方式在方法以及理论方面还存在着一定的不完善情况，在现今海洋结构动力优化当中，其更多的局限在部分简单问题的研究中，如将动态特性如频率等作为目标进行约束等等，而在实际将约束作为动力响应的动力优化还存在着一定的不足，也很少具有以可靠度为基础所开展的结构动力优化设计。在具體动力优化当中，设计变量同结构动态响应两者间具有着高度非线性的关系，在实际优化工作开展当中，可行域性态不良情况的存在也将增加问题优化难度。对于这部分问题，目前有研究人员对自适应运动极限以及可行域调整等方式进行了优化求解处理，对于稳态频率响应，则对阵型空间直接求解敏度的方式进行了使用，在瞬间动力相应方面，则对以Newmark方式进行了使用，并将其有效的是现在JIFRX程序系统当中。

3基于可靠性的海洋平台优化设计

在实际海洋平台设计工作当中，其中具有着较多的不确定因素，如分析方法、荷载环境以及结构自身特定等等，对此，即需要在实际设计当中做好这部分不确定性的充分考虑。就目前来说，具有较多对海洋平台结构的可靠性分析，但在实际优化设计方面却存在着而一定的困难与不足，如求解体系可靠度、寻找失效模式以及确定失效费用等等。

在实际设计工作开展当中，平台结构的稳定性是非常重要的一项因素，也是对平台整体安全水平进行反映的关键指标，在实际对平台结构可靠度进行确定时，做好结构失效模式的寻找可以说是非常关键的一项内容。以导管架平台结构系统为例，只有导管架、桩基以及上部夹板这几个系统保持运行在正常状态时，才能够保证平台对钻采等功能进行良好的实现。如当桩基以及导管架当中主要构件发生失效情况，则即将因此导致桩基以及导管架发生失效问题，进而对整个平台的稳定运行产生影响。对此，在实际设计当中，即可以将海洋平台的桩、导管腿失效作为其中的主要失效模式进行确定，也可以将相邻层结构层间变形作为主要失效模式进行确定，目前，已经有研究人员对损伤力学非线性损伤模型进行了使用，并在此基础上获得了屈服可靠性以及疲劳可靠性相关设计。

在近年来可靠性技术以及高级分析结构技术不断发展的过程中，对海洋平台的具体设计也产生了较大的影响，其主要具有多个水平分类，即单元水平、系统可靠度水平、系统水平、全寿命设计以及规范校核这几方面内容。其中，系统以及单元水平在具体平台设计当中具有十分重要的影响，但系统可靠度在全寿命设计以及规范校核当中也存在一定的应用局限。在具体单元优化方面，在现今硬件设施以及计算方法不断提升的情况下，非线性以及线性有限元方式在实际结构设计当中已经具有了较多的应用，在经过极限强度以及线性应力分析的基础上，则能够在有效减少单元制造费用以及整体重量的基础上大幅度实现平台费用的降低。而在系统优化方面，通过可靠度技术以及高级结构分析技术的应用，也能够在平台极端环境以及意外事件结构设计中发挥出重要的作用。

4全寿命优化设计措施

在现今海洋平台设计当中，做好其全寿命优化设计也是非常重要的一项工作。在该项工作具体开展当中，从开始的设计阶段、中期的应用维修以及最终的失效阶段，都需要能够将其视为一个整体进行考虑与设计，在实际设计中，不仅需要能够做好技术方面因素的考虑，且需要做好政治、社会以及经济等相关因素的考虑，其在实际设计当中所具有的目标，即是在整个结构寿命周期当中最大程度降低其费用，在结构未来损失期望以及初始造价当中对良好的优化平衡目标进行实现。

在现今的海洋平台设计当中，更多的只是对初始造价进行考虑，而在结构风险方面则缺少设计。对于传统的结构可靠性分析工作当中，即是尽可能对不同状态下结构所具有的组合以及随机特性进行反映，而在结构风险评估中，则将对造成结构失效的原因以及导致的后果进行综合考虑，以综合的方式对工程设计、建设、使用到最终报废整个过程动态随机特性的反映。在现今设计当中，对维修费用、失效损失以及结构初始投资的优化设计受到了更多人们的重视，在国外，近年来也在该方面具有了较大的发展，在不同工作环境以及结构型式中对科学的优化设计模型进行了提出。目前，已经有研究从结构寿命周期角度出发，对效益准则模式进行了提出，即在将经济、社会问题进行融合的基础上详细描述受伤、死亡以及维修费用等，为相关工作的开展提出了有力的理论基础。

5结语

在我国海洋石油事业不断发展的过程中，较多的海洋平台得到了建设。在上文中，我们对海洋平台结构可靠性的优化设计进行了一定的研究。总体来说，在现今海洋平台结构设计当中，做好结构优化设计已经成为了非常重要的一项工作，对此，即需要能够在未来工作当中加强可靠性优化工作的开展，通过优化效果的提升保障工程建设质量。

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