[发明专利]海洋导管架平台的轻量化设计方法在审
申请号: | 201910520101.4 | 申请日: | 2019-06-17 |
公开(公告)号: | CN110414044A | 公开(公告)日: | 2019-11-05 |
发明(设计)人: | 田晓洁;李道喜;王清扬;刘贵杰;谢迎春;刘运祥 | 申请(专利权)人: | 中国海洋大学 |
主分类号: | G06F17/50 | 分类号: | G06F17/50 |
代理公司: | 青岛中天汇智知识产权代理有限公司 37241 | 代理人: | 雷斐 |
地址: | 266101 山*** | 国省代码: | 山东;37 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 导管架平台 海洋 拓扑优化 边界条件 环境载荷 轻量化 优化 尺寸优化 动态性能 固定约束 结构整体 软件分析 应力分布 优化模型 优化目标 约束模型 初始化 导管架 设计域 减小 建模 施加 输出 分析 | ||
1.一种海洋导管架平台的轻量化设计方法,其特征在于,包括以下步骤:
(1)对海洋导管架平台进行初始化建模,确定初始设计域;
(2)分析海洋导管架平台所受的环境载荷;
(3)在海洋导管架平台模型上施加边界条件,边界条件包括固定约束和环境载荷;
(4)确定优化目标,以海洋导管架的最大刚度为目标,约束模型的体积;
(5)使用拓扑优化软件对海洋导管架平台进行拓扑优化;
(6)对拓扑优化得到的模型进行形状和尺寸优化;
(7)使用有限元软件分析优化前后的海洋导管架平台,并进行静态和动态性能比较;
(8)满足要求,则输出最终优化优化模型,若不符合要求,重复步骤(5)至(7),直到符合要求。
2.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法,其特征在于,所述海洋导管架平台包括四根桩腿支撑,桩腿支撑不垂直于地面,桩腿支撑的截面呈梯形,桩腿支撑的顶部设置有顶部横撑,顶部横撑的上方固定有平台,桩腿支撑的中部沿高度方向间隔设有数个横撑,上、下横撑之间通过斜撑连接;
所述海洋导管架平台模型包括桩腿支撑和固定在桩腿支撑顶部的横撑。
3.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法,其特征在于,步骤(2)中,所述环境载荷包括海风载荷、波浪载荷和海流载荷,其中单位面积的海风载荷为
Pf=0.613v2(Pa)
式中v为设计风速(m/s);
所述作用于水下单位面积的拖曳力载荷为
式中CD为拖曳力系数,大小常取1;ρ为海水密度,常取值为1025kg/m3;UC为流速(m/s),
所述平台杆件在波浪载荷区单位长度的波浪载荷为
式中ρ为海水密度,常取值为1025kg/m3;ux和分别为与平台杆件轴向垂直的相对速度和加速度矢量,根据斯托克斯五阶波求解得到;CM为惯性力系数,大小常取1.6;CD为拖曳力系数,大小常取1。
4.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法,其特征在于,所述步骤(4)中刚度优化的数学模型为
式中U表示海洋导管架平台模型整体位移矩阵,F表示海洋导管架平台模型整体力矩阵,K表示海洋导管架平台模型整体刚度矩阵,ue和ke分别表示单元的位移矢量和刚度矩阵,x表示设计变量的向量,xmin是相对密度的最小向量,N是设计区域离散化的单元数量,p是惩罚因子,V(x)和V0是材料体积和设计区域体积,f为规定的容积率。
5.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法,其特征在于,步骤(3)中,对海洋导管架平台模型的约束是在模型底端施加四个固定约束点,模型的四个面进行对称约束。
6.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法,其特征在于,步骤(3)中,海风载荷作用于导管架上方的海洋装备和设计域高于海平面的部分,波浪载荷作用于设计域位于海平面处的部分,海流载荷作用于设计域低于海平面的部分;
对于导管架上方的海洋装备所受的海风载荷,首先将重力简化为等效质量点添加到四个桩腿支撑的上方,然后将海洋装备受到的海风载荷加载到设计域的横撑上,并附加力矩
7.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法,其特征在于,步骤(5)中,采用变密度法进行拓扑优化,通过调整公式(1)中的密度阈值x得到海洋导管架平台模型,拓扑优化包括以下步骤:
(1)调整密度阈值,优化出斜撑结构;
(2)将斜撑隐藏,调整密度阈值,优化出横撑结构;
(3)将上述步骤(1)得到的斜撑结构、步骤(2)得到的横撑结构和顶部横撑上方的平台结合,得到拓扑优化后的海洋导管架平台模型。
8.根据权利要求1所述的海洋导管架平台的轻量化设计方法,其特征在于,步骤(6)中,对步骤(5)拓扑优化得到的海洋导管架平台模型,假设海洋导管架平台模型中导管架的尺寸,将尺寸数值输入ANSYS软件,对重建的模型进行形状和尺寸优化。
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