【正文】 臺在長期的使用過程中，要面臨惡劣的海洋環(huán)境，這樣就不可避免地會受到風、浪、流、潮等自然環(huán)境荷載連續(xù)性、長期性的的受力作用，這些作用就可能會對海洋平臺造成持續(xù)振動損害。振動的存在，不但加劇了海洋平臺的疲勞破壞速度，也降低了平臺的安 全性和可靠性，同時，由于一些海洋平臺的振動幅度過大，就無法滿足工作人員的基本生活要求。加上海洋惡劣環(huán)境的腐蝕、海生物附著、地基土沖刷以及海洋平臺材料自身的老化、構(gòu)件自身存在的缺陷和機械存在損傷等不利因素的影響，都將導致海洋平臺結(jié)構(gòu)構(gòu)件和整體抗力面臨下降和衰減，嚴重時就會影響結(jié)構(gòu)的安全度和耐久性。因此，如何建立安全可靠的海洋平臺防護系統(tǒng)，減輕平臺的振動，提高結(jié)構(gòu)物的安全性和可靠度，延長海洋平臺的使用壽命，這將是保證海洋結(jié)構(gòu)物上的作業(yè)人員的舒適感等問題已成為當務之急。 眾所周知，海洋環(huán)境十分惡劣，海洋環(huán)境存在很 多的不確定性因素，這些因素對于海洋平臺的安全性有著十分重要的作用，如果在設計過程中，還是按照傳統(tǒng)的確定性去設計分析，那么海洋平臺就會出現(xiàn)無法勝任的局面。因此，應該對現(xiàn)在的海洋平臺進行優(yōu)化，將先進的優(yōu)化設計方法應用到平臺結(jié)構(gòu)設計中去，不過，海洋平臺作為多功能的結(jié)構(gòu)體系，其優(yōu)化設計面臨諸多困難，主要表現(xiàn)在 : 1. 海洋環(huán)境荷載多樣，存在隨機特性 海洋環(huán)境荷載包括海風、海浪、海流、海冰和地震等眾多的荷載，以及海洋平臺結(jié)構(gòu)自身的變形，船舶的撞擊和溫度的影響。同時，海洋環(huán)境變化無常，造成了海洋荷載變化隨機。 2. 海 洋平臺結(jié)構(gòu)體系大，并且復雜 海洋平臺結(jié)構(gòu)一般包括上部結(jié)構(gòu)，水下結(jié)構(gòu)，儲油設施與地基基礎等等，這些結(jié)構(gòu)占據(jù)面積大，設備眾多，因此考慮時要面臨眾多問題的分析。 3. 海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)存在非線性性質(zhì) 海洋平臺結(jié)構(gòu)復雜，和他所處的環(huán)境有著直接的關系，主要表現(xiàn)是：由于海洋地基非線性，造成振動控制設置阻尼裝置結(jié)構(gòu)也存在非線性，加上強震或強風暴等極端荷載作用，讓海洋結(jié)構(gòu)平臺結(jié)構(gòu)產(chǎn)生極值位移的彈塑性響應。 4. 海洋平臺結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)多變性 由于海洋環(huán)境惡劣，海洋平臺上經(jīng)常出現(xiàn)設備移動，引起的荷載變化，海洋平臺在長期使用過程中也 面臨著腐蝕、疲勞、損傷加上海洋生物的附著等等，使得海洋平臺結(jié)構(gòu)每時每西南石油大學碩士研究生學位論文 3 刻都在變化。 5. 海洋平臺設計準則和設計方法多重選擇 在對海洋平臺的設計過程中，既有屈服準則、屈曲準則，又有疲勞準則、開裂準則等，還要面對有確定性優(yōu)化設計方法和那些不確定性優(yōu)化設計方法，現(xiàn)在沒有統(tǒng)一的標準，使得在設計過程中，選擇復雜，難以統(tǒng)一。 6. 計算時目標函數(shù)面臨多樣性 對海洋平臺的計算時，目標函數(shù)既有平臺重量、平臺造價、平臺抗振性能、平臺穩(wěn)定特性，還要考慮海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可靠性等等，這樣在計算過程中就會造成很復雜的多樣性函數(shù)出現(xiàn) 。 7. 海洋平臺約束條件較多 海洋平臺即面臨著同一類約束，比如應力的約束，應力約束雖然是局部性約束，表達式簡單，但是它涉及到的種類較多、數(shù)目過大，處理起來也十分復雜，再如樁基橫向承載力約束時，它的表達較難，不能顯式，在樁基變形連續(xù)點處理樁基橫向承載力約束更困難，它面臨眾多的約束項，這些因素就給海洋平臺的優(yōu)化求解帶來了一定的難度，因此，如何有效優(yōu)化海洋平臺，就變得的十分困難了。 面對海洋平臺結(jié)構(gòu)的風險和建設的眾多困難，我們應該一方面積極開發(fā)主要設施的建設，同時面對海洋惡劣環(huán)境，必須對海洋平臺進行優(yōu)化，制定一 套安全保證保障技術(shù)。要想開發(fā)海洋平臺的有效的控制理論和系統(tǒng)，就必須去充分了解海洋環(huán)境激振載荷的動力特征以及海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力響應特性。不過目前還沒有簡單、有效的海洋平臺構(gòu)建技術(shù)可以準確地辨識海洋平臺結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的動力特性。加上海洋平臺結(jié)構(gòu)自身的復雜性和波浪及冰等環(huán)境載荷的多層因素影響，使得海洋平臺難以有效的控制。因此，對于海洋平臺控制系統(tǒng)的研究，將有利于延長海洋平臺服役壽命和提高其可靠度，同時也可以設計新的模型，用來加強或修復整體性能衰減的海洋結(jié)構(gòu)物。 研究的現(xiàn)狀 國外研究的現(xiàn)狀 Dario Botte（ 1997）在對于海洋平臺防護系統(tǒng)探究中指出，海洋平臺防護所受載荷主要集中在風、浪、流等環(huán)境載荷上，尤其是波浪載荷對平臺的承載。 Morison（ 1951）和他的同事通過大量試驗與理論研究，提出了世界著名的 Morison 公式，用這個公式來計算平臺樁腿波浪力，這個公式很受各國學者歡迎，并且至今一直在沿用。 Dario Botte（ 1997）對于海洋平臺波浪響應也進行了研究，他在分析了海洋平臺結(jié)構(gòu)在非線性時域內(nèi)的響應基礎上，通過建立 ANSYS 非線性有限元模型，來計算平臺整體結(jié)構(gòu)的極限強度和剩余強 度。 （ 1985）通過對海洋平臺防護系統(tǒng)的研究，提出了自升式防護平臺，他對深水惡劣的環(huán)境進行了分析，指出了深水處的動力響應，他通過計算指出了動力響應的不確定性，這些不確定性主要與波峰模型、 Morison 公式和阻尼三者有著重要的關系。 對于疲勞問題的研究，在上個世紀 60年代就引起了很多學者的關注，為此，世界各國海洋平臺建立了各自的疲勞強度校核方法與應力范圍標準。 （ 1990）對于海洋防護工程的結(jié)構(gòu)的疲勞破壞進行了大量的研究，他采用 Miner 線性累積損傷理論和S 一曲線來計算海洋平臺結(jié)構(gòu)的疲勞損傷和壽命長度。 Tao xu（ 1997）對于海洋防護工程結(jié)構(gòu)的疲勞強度、疲勞載荷以及疲勞可靠性進行了系統(tǒng)的研究，提出了他們存在的問題。 不過國外的這些理論研究，都是在確定性的條件下進行分析的，這些因素的計算都有確定的數(shù)值支撐。而事實上，海洋平臺防護工程結(jié)構(gòu)的疲勞受大量不確定因素制約，相當?shù)膹碗s，并且這些影響因素又是隨機影響的。比如， Mortagavi， M， M 指出海浪的無規(guī)則運動固定式 海洋平臺防護 方案 的設計與建模分析 4 引起的波浪載荷是隨機的，而材料性能的分散性和材料性能測試不確定性所造成的海洋平臺結(jié)構(gòu)疲勞也是隨機的，加上計算中的一些假設和簡化造成的計算結(jié)果與結(jié)構(gòu)真實內(nèi)力之間的誤差也是隨機的。 國內(nèi)研究現(xiàn)狀 趙德廷 [1998]針對海洋防護平臺結(jié)構(gòu)提出，海洋平臺防護系統(tǒng)是載荷、抗力和風險的安全保護系統(tǒng)，它具有相對復雜的結(jié)構(gòu)、實踐中由于矛盾比較集中，承擔的壓力比較突出，因而建設過程中，各種結(jié)構(gòu)失效經(jīng)常發(fā)生，造成海洋平臺事故嚴重。為了使海洋平臺防護建設的昂貴的費用可以積極的發(fā)揮安全長期地運營，很多的專家和學者對海洋平臺諸多方面進行了研究，并且設計了很多種平臺防護系統(tǒng)。 竺艷蓉（ 1991）在對于 海洋平臺防護系統(tǒng)探究中指出波浪載荷與波浪理論有著密切相關性，在實際研究中，常用的波浪理論有線性理論、坦谷波理論和橢圓余弦波理論，對于海洋防護工程的研究，主要是利用 stokes 擴展的有限波幅理論。 過玉卿（ 1985）指出了“三峰谷計數(shù)原則”，并用這個原則代替了以前的“四峰谷計數(shù)原則”，這個原則在對海洋平臺的防護研究中，計算雨流法顯的比較簡便。在對于海洋平臺防護結(jié)構(gòu)的應力研究上，歐進萍（ 1999）通過整體推進法分析了導管節(jié)平臺的極限承載能力。戴大農(nóng)（ 1986）運用三維等參元和三維相對自由度殼元的組合模型和子結(jié)構(gòu) 技術(shù)對海洋平臺管節(jié)點的應力進行了有限元分析。 對于海洋平臺的防護研究中，金屬機械結(jié)構(gòu)的斷裂引起了很多專家和學者的關注，在他們的研究過程中，張世聯(lián)（ 1994）指出，海洋平臺防護有 80%以上是由疲勞引起的。疲勞破壞是海洋工程結(jié)構(gòu)主要的失效原因之一。 張延宏、柳春圖（ 1990）運用斷裂力學理論對海洋平臺防護進行了分析研究，提出了海洋平臺 T 型管節(jié)點的疲勞強度相關的因素，并指出了對裂紋擴展數(shù)據(jù)的處理方法。他們對于 斷裂力學方法的運用，使海洋平臺用鋼的疲勞裂紋擴展可以很好的得到掌握，并且對裂紋擴展曲線取得了相關的數(shù)據(jù)效 果分析。 朱啟憲（ 1991）在他的研究中從實用的觀點敘述了有關海洋平臺可靠性設計的主要問題和采用可靠性安全系數(shù)法的主要步驟。 隨著數(shù)學領域的快速發(fā)展，數(shù)學優(yōu)化方法在海洋工程結(jié)構(gòu)優(yōu)化中不斷得到運用。張志強（ 2020）通過對適用于邊際油田的輕型海洋平臺綜合分析，提供了備選平臺的結(jié)構(gòu)型式，并且在自己的創(chuàng)作中建立了輕型平臺選型優(yōu)化的分析模型，經(jīng)過實踐分析，計算，建立了平臺的最優(yōu)型式。 翟剛軍（ 2020）、通過運用多級模糊優(yōu)選的方法對我國近海導管架平臺進行了選型優(yōu)化研究，并且設計了較為理想的平臺型式。 國內(nèi)外的這些研 究為海洋平臺防護系統(tǒng)的建設提供了很好的理論指導，不過這些理論定性分析較多，定量研究較少，并且缺乏一定的可操作性，因此這些研究需要進一步的深入完善，結(jié)合海洋平臺自身的特色進行分析，提出更加可靠安全持久耐用的海洋平臺防護系統(tǒng)。 啟示 海洋平臺防護系統(tǒng)建設是一個十分復雜的工程系統(tǒng)，很多的學者進行了研究，并且提出了她們的意見和建議。海洋平臺防護系統(tǒng)建設中，如果結(jié)構(gòu)的某一部分失效，就有可能造成整個平臺的倒塌，造成很多人員和財產(chǎn)的重大損失，國內(nèi)外發(fā)生了很多的海洋平臺事故，造成了重大的經(jīng)濟損失和不良的社會影響 。面對海洋平臺防護給人類和社會帶來的慘痛的教訓，我們不得不加倍地投資和努力去研究海洋平臺，找出其中的關鍵問題，提高海洋平臺結(jié)構(gòu)的設計、維護和安全，確保人類得到更加安全的防護。 筆者認為海洋平臺結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴，面對現(xiàn)有的海洋平臺，我們應該進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，設計出一個經(jīng)濟實惠安全耐用的安全防護方案是十分必要的，這樣還可以推動海洋平臺結(jié)西南石油大學碩士研究生學位論文 5 構(gòu)設計理論的發(fā)展，為海洋平臺防御的安全提供一個科學可靠的保證。對于海洋平臺的優(yōu)化，主要有 3 個層次 :一是選型優(yōu)化設計的優(yōu)化，二是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計的優(yōu)化、三是可靠性優(yōu)化設計的優(yōu)化，本文將主 要對結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計進行展開探討，希望通過自己的設想，尋找一個可靠的設計模型。 通過對于現(xiàn)有文獻的研究，筆者發(fā)現(xiàn)影響海洋平臺安全性的主要是海風、海浪、海流、海冰環(huán)境荷載，因此，在下文的研究過程中，本文主要進行海洋工程中的優(yōu)化問題的研究，希望自己可以對這個復雜的工程出一份力，這是自身能力的發(fā)揮，也是海洋工程結(jié)構(gòu)學科的發(fā)展和國民經(jīng)濟建設的實際需要，面對海洋平臺防護這一投資高、風險大的大型復雜結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，如何進行優(yōu)化設計研究，是很多人都該出力奉獻的，以便滿足社會和人類的需求。 研究的意義 海洋平臺是海洋石油天然 氣資源開發(fā)的基礎性設施，是海上生產(chǎn)作業(yè)的生活基地。海洋平臺長期處于惡劣的海洋環(huán)境中，受風、浪、流、海冰、地震等自然環(huán)境作用，由于環(huán)境荷載的重復性和惡劣性，使海洋平臺在使用過程中存在明顯持續(xù)不斷的振動問題．這種長期性的作用會造成海洋平臺的振動從而加劇平臺的疲勞破壞、降低系統(tǒng)的可靠度，給生產(chǎn)、生活帶來諸多不利影響。因此如何減輕平臺在環(huán)境荷載作用下的振動日趨重要，海洋平臺的振動控制技術(shù)也成為延長平臺的疲勞壽命、提高平臺可靠性、改善平臺工作人員的舒適感的重要手段。 在實踐過程中，為了構(gòu)建健康安全的海洋平臺，需要投資 昂貴的費用。海洋平臺防護系統(tǒng)建設結(jié)構(gòu)復雜、造價昂貴，平臺建設必須確保安全可靠，避免事故的發(fā)生。海洋平臺一旦遭到破壞，就會帶來不可估量的經(jīng)濟損失，因此，海洋平臺防護系統(tǒng)的建設，必須保證其在服役期內(nèi)的安全性。目前國內(nèi)外很多的海洋防護平臺已進入或正在進入后期服役階段，呈現(xiàn)老齡化平臺，有的海洋防護平臺已經(jīng)出現(xiàn)超齡服役階段，由于海洋平臺的造價十分昂貴，一般從經(jīng)濟性考慮，在實踐過程中，盡可能讓海洋平臺服役期延長。而我國的海洋防護平臺有的也出現(xiàn)了先后進入后期服役階段，有的海洋防護平臺是我國從國外購進的退役平臺加以改裝的， 這樣海洋防護平臺的安全和質(zhì)量問題就面臨著很大的風險。雖然為了節(jié)約投資，增加經(jīng)濟效益，繼續(xù)使用這些平臺，但是最大的安全問題不得不去考慮。如何建設更加安全經(jīng)濟的海洋防護平臺，將成為很多國家學者研究的關鍵問題。 海洋防護平臺的建設，必須考慮到海洋自身的惡劣環(huán)境，并且要考慮各種載荷的交互作用，以及疲勞失效等因素，盡量避免海洋平臺結(jié)構(gòu)失效造成危害。海洋平臺構(gòu)建，要考慮到服役的各個階段的特點，避免裂紋的出現(xiàn)威脅著平臺的安全和繼續(xù)作業(yè)。如何構(gòu)建安全的海洋平臺，避免海洋平臺的斷裂、失控等重大事件的發(fā)生，最大限度地發(fā)揮結(jié)構(gòu)潛 能，延長平臺的使用壽命，這是很多業(yè)主非常關心和重視的，這也是很多海洋平臺工作者關注的重點工作。 本文的研究就是希望通過自己的機械專業(yè)所學的知識，結(jié)合力學、機械學、海洋學等知識，涉及構(gòu)建一個安全、經(jīng)濟實惠的安全防護系統(tǒng)，提高海洋防護系統(tǒng)的安全性，為我國的海洋防護增加一份力量，同時也對我國海洋安全生產(chǎn)研究具有及其重大的意義與作用。 研究的內(nèi)容和方法 研究的內(nèi)容 海洋平臺防護系統(tǒng)建設結(jié)構(gòu)復雜，建設體積龐大，建設造價昂貴，加上海洋結(jié)構(gòu)比陸地結(jié)構(gòu)復雜和惡劣，風、海浪、海流、海冰和潮汐等作用，時時對 海洋防護平臺進行破壞，嚴重時海洋平臺受到地震威脅，在這種情形下，對于海洋防護平臺的研究，就顯得非常重要。本文首先對海洋防護平臺的相關理論知識進行分析，接著分析海洋平臺防護系統(tǒng)的原理和關鍵技術(shù)，最后提出建模實證分析，本文的研究內(nèi)容如下： 第一部分是緒論，主要分析本文研究的背景、研究的現(xiàn)狀、研究的內(nèi)容、研究的方法。 固定式 海洋平臺防護 方案 的設計與建模分析 6 第二部分主要概述海洋平臺防護的相關概念，這部分主要對海洋平臺的定義、海洋平臺的分類、海洋平臺的發(fā)展進程、以及海洋平臺防護減震進行分析，這部分是文章的基礎部分，通過這個部分的分析可以更清楚的認識海洋防 護系統(tǒng)，為下文的研究奠定了基礎。 第三部分主要講海洋平臺防護系統(tǒng)構(gòu)建的原理