多源随机载荷下自升式平台桩腿结构拓扑优化方法研究

The spud leg is an essential supporting device for jack-up platform. Therefore, the design rationality of its structure is very crucial, which determines the security, installation and transportation cost of the whole platform. At present, the design method of spud leg only concerns the static load, or simplify the dynamic load into the static load ignoring the multi-source, randomness and coupling of the load. Taking high design safety coefficient can’t solve the result of high redundancy and stress non-uniformity fundamentally. It is lack of the research results about the legs bearing properties, dynamic response analysis and the topology optimization under the action of multi-source random load. Therefore, it is necessary to carry out the research around the structure topology optimization method of the jack-up platform leg under the multi-source random load. This project aims to study coupling mechanism of multi-source random load and corresponding dynamic response characteristics of the legs with the utilization of combining the random vibration theory, the fluid-structure interaction analysis, computer simulation and experimental method. And it can illuminate the inner link between the random load parameters, structural dynamic response characteristics and bearing characteristics of the legs, investigate the building method of topology optimization constraint equation considering multi-source random load coupling. It lays a theoretical foundation in order to obtain the leg structure with high resistance and lightweight, and has important scientific significance and research value.

桩腿作为自升式平台的重要支撑装置，其结构设计的合理性十分关键，决定着整个平台的安全性、造价及运输安装成本。目前桩腿结构设计方法多只考虑静载荷作用，或者将动载荷视为静载荷处理，没有考虑载荷的多源性、随机性和耦合性，从而造成设计安全系数选取过高，未能从根本上解决大冗余性和受力不均匀性的设计结果，缺乏多源随机载荷作用下桩腿结构承载性状研究、动力学响应分析和拓扑结构优化方面的研究成果。因此，需围绕多源随机载荷下自升式平台桩腿结构拓扑优化方法开展研究。本项目旨在运用随机振动理论研究、流-固耦合分析、计算机仿真和实验相结合的方法，开展多源随机载荷耦合作用机制及相应的桩腿动力学响应特征研究，阐明随机载荷参数与桩腿结构动力学响应特征及承载性状之间的内在联系，探索考虑多源随机载荷耦合作用下桩腿结构拓扑优化约束方程的构建方法，为获得具有较高抗力和轻量化的桩腿结构奠定理论基础，具有重要的科学意义和研究价值。

自升式平台由于其定位能力强、作业稳定性好，占我国移动平台总数的80%左右，常年使用率高于75%，在海洋油气勘探开发中居主力军地位。桩腿作为自升式平台的重要支撑装置结构，除承载自身和平台重量外，同时还会受到风、浪、流、海冰以及地震等多种随机载荷作用，其结构设计的合理性，不但影响着整个平台的安全性，还会对平台的造价及运输成本起着决定性作用。针对现有自升式平台桩腿结构设计中未考虑多源随机载荷的作用，设计冗余量过大的问题，本项目通过环境载荷分析、流-固耦合分析、拓扑优化理论、计算机仿真和实验相结合的方法，对桩腿结构的拓扑优化设计方法展开了研究。主要完成了多源随机载荷下桩腿动力学响应及承载性状研究，得到环境载荷的特征参数变化对桩腿的动力响应和承载特性影响规律；构建了基于单元应力和动力响应的优化准则；开发了基于BESO的桩腿结构拓扑优化算法，考虑多源随机载荷的约束得到桩腿结构的拓扑优化结果；对优化后桩腿结构在我校波流水槽中进行了模型试验，验证了所提出方法的合理性和可行性。通过本项目的研究可以获得具有较高抗力和轻量化的桩腿结构，可为自升式平台的设计理论奠定基础，也为拓扑优化在海工结构设计中的应用奠定基础，具有重要的科学意义和研究价值。基于本项目的研究，培养研究生4名，发表论文9篇，其中SCI收录5篇，授权发明专利2项，软著3项。