基于全寿命总费用最小的抗冰海洋平台优化设计.doc

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1、基于全寿命总费用最小的抗冰海洋平台优化设计*863计划（2001AA602015）和国家自然科学基金项目（10421002，50578082）资助李刚张大勇岳前进大连理工大学，工业装备结构分析国家重点实验室，116023摘要我国渤海的油气资源主要由边际油田组成，渤海又是冬季结冰海域，需要建造既“抗冰”又“经济”的海洋平台；而且渤海海洋环境复杂，存在着许多不确定性。因此，平台从设计、建造、使用、维护直至失效报废等整个服役期内存在的各种风险。本文基于投资--效益准则，建立了抗冰平台全寿命总费用最小的

2、优化设计模型；考虑了多种类型的性能要求（结构、设备、人员），并建立了相关判据；提出了包括结构的初始费用、维修费用和期望损失费用的冰区海洋平台全寿命总费用评估模型；提出了平台结构主要功能的确定及描述方法、相应的功能失效损失值估计模型。最后，以渤海某抗冰平台为例，实现了全寿命总费用最小的抗冰海洋平台优化设计。结果表明，基于风险的全寿命优化模型比基于规范的静力设计和仅考虑动力的最优设计相比更加合理。关键词：全寿命总费用，投资-效益准则，最优设计，海洋平台0.引言我国渤海的油气资源主要是由边际油田组成，

3、同时海冰是渤海海洋平台的控制环境荷载。考虑到边际油田的开发成本，需要建造经济型的抗冰海洋平台。目前，我国抗冰平台设计主要还是基于极值静冰力，没有充分考虑交变冰力引起的振动问题。部分平台投入运行后存在比较严重的冰激振动问题，结构安全及上部作业人员和设施都带来很大影响。另外，渤海海洋环境复杂，存在着许多不确定性，如与冰荷载有关的冰厚、冰速、冰向、冰强度等具有随机性，同时由于海水的腐蚀等作用，海洋平台结构的抗力性能随时间也会发生退化。因此，如何考虑平台从设计、建造、使用、维护直至失效报废等整个服役期内

4、存在的各种风险，进行抗冰平台的全寿命优化设计，从而实现经济与抗冰的目标，对于渤海抗冰平台设计尤为重要，也是本文目的所在。基于性能的设计思想是近年来发展起来的一种设计理念，它所追求的设计目标就是在结构寿命周期的总费用最小，即在结构的初始造价与结构未来的损失期望中，达到一种优化平衡。[1]近年来，考虑结构初始投资、维修费用和失效损失的海工结构全寿命优化设计已逐步引起人们的重视，国外已有一些相关研究[2]，但目前还未见到国内这方面的工作。相关研究工作大多从深海平台的设计出发，还存在一些局限性。如，初始

5、费用是根据结构具体设计方案进行估算，没有给出方便的估算方法；失效损失评估大都依据统计数据，很少与环境荷载下结构的响应相关；只考虑了结构本身的性能要求，结构功能失效带来的社会和经济的损失还有待于进一步研究。本文基于投资--效益准则进行海洋平台抗冰振设计，将此转化为以结构整个寿命周期内总费用最小为目标函数的结构最优设计问题。考虑了多种类型的性能要求（结构、设备、人员），并提出了相关判据。冰区海洋平台全寿命总费用评估的合理模型选取、平台结构主要功能的确定及描述和相应的功能失效损失值估计是本文所要阐述的

6、几个重要方面。1.抗冰振海洋平台的性能要求从研究对象来看，抗冰振海洋平台的性能要求可分为结构性能要求、上部设施性能要求、人员感受要求；从力学特性看，由于冰载荷自身固有的特性，即具有静力特征又具有动力特征[3]，考虑到冰与结构的相互作用后，可以分为极值静力性能要求和动力性能要求。81.1极值静力性能要求目前海洋平台的规范设计中[4]，一般考虑地震、波浪、海流、风和海冰作用，并转化为等效静力作用来考虑；主要通过强度要求、刚度要求、稳定性要求，来评估结构或者结构构件在各种载荷组合作用下是否安全。强度要

7、求就是指构件在设计载荷作用下的设计应力应当小于许用应力；刚度要求是指结构的最大变形应当小于规范建议的容许值；而稳定性要求就涉及到结构的整体稳定性和构件局部屈曲问题，以及构件的长细比限制。对于抗冰海洋平台，就是在极端静冰力的作用下保证结构的强度、刚度和稳定性要求。1.2动力性能要求由于冰载荷本身固有的动力特性，以及结构本身动力特征，所以冰与结构相耦合后有可能产生较大的动力响应。目前，在渤海设计的导管架平台已经出现了严重的冰激振动问题。对于抗冰海洋平台，动力性能要求包含了结构的动力特性即导管架结构固

8、有频率的要求，冰激结构振动问题。后者主要包括交变动冰力作用下结构的疲劳问题，以及动冰力作用引起甲板振动会影响作业人员感受，以及甲板上的设施及管线的正常运作等。[5,6]2寿命期内基于投资-效益准则的最优设计结构整个寿命周期内总费用评估是实施投资--效益准则的抗冰振优化设计的关键，也是一个难点。一般来说，海洋平台的寿命期内期望总费用可以取[7]：（1）其中，E[·]代表期望值；是初始造价；X代表设计变量矢量，可以是设计荷载和抗力，也可以是和设计荷载和抗力有关的参数；j表示灾害荷载作用的时刻，是随机