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1、基于静力相似的水深截断系泊系统多目标优化设计苏一华,杨建民,肖龙飞,李欣(上海交通大学,上海200030)摘要:编写了基于悬链线方程的系泊系统静力计算程序,结合多目标遗传算法NSGA-Ⅱ,实现了大范围寻优和多目标优化,用于水深截断系泊系统的优化设计。关键词:混合模型试验方法;系泊系统;截断;优化;NSGA-Ⅱ中图分类号:U661文献标识码:AMULTI2OBJECTIVEOPTIMIZATIONDESIGNOFTRUNCATEDMOORINGSYSTEMBASEDONEQUIVALENTSTATICCHARACTERISTICSSUY
2、i2hua,YANGJian2min,XIAOLong2fei,LIXin(ShanghaiJiaotongUniversity,Shanghai200030,China)Abstract:Basedoncatenaryequationandmulti2objectiveoptimizationalgorithmNSGA2Ⅱ,large2scalesearchingandmulti2objectiveoptimizationarerealized,anditisusedintruncatedmooringsystemdesign.Ke
3、ywords:hybridmodeltestingtechnique;mooringsystem;truncation;optimi2zation;NSGA2Ⅱ1引言水深截断系泊系统设计是混合模型试验方法的一个重要组成部分。深水海洋平台的系泊/立管系统具有大的空间尺寸,采用常规缩尺比和傅汝德相似准则在现有试验水池难于完整的模拟,研究人员提出了混合模型试验方法,将全水深系泊缆截断,采用水深截断系泊系统代替全水深系泊系统在截断水深进行模型试验[1,2]。水深截断系泊系统主要分为两种:主动式和被动式[3]。目前广泛采用被动式的水深截断系泊系
4、统,依据静力特性与全水深一致进行设计,ITTC提出了水深截断系泊系统的设计准则[4]。水深截断系泊系统设计属于多目标优化问题。被动式水深截断系泊系统的所有静力特性难于同时保证与全水深系统一致,因此需要根据平台的形式和特点保证关键的静力特性与全水深系统一致。传统的多目标优化方法通常将多目标转化为单目标后采用单目标优化算法求解,其中较为常见的为权重法,但加权因子选择失当会使得其中的一个目标函数支配其他的目标函数。非支配排序遗传算法(Non2dominatedSortingGeneticAlgorithm,NSGA)是一种基于Pareto最
5、优概念的多目标遗传算法,由Srinivas和Deb在1995年提出[5]。NSGA采用非支配分层方法,使得好的个体有更大的机会收稿日期:2007212203修改稿日期:2007212227基金项目:国家“863”计划(2006AA09A107);上海市科委资助重大基础研究课题(05DJ14001)作者简介:苏一华(19802),男,博士生,从事船舶与海洋工程方面的研究。第1期苏一华等基于静力相似的水深截断系泊系统多目标优化设计·15·遗传到下一代,采用适应度共享策略保证非劣最优解均匀分布,保持群体多样性。针对NSGA计算复杂度较高、缺
6、乏最优保存策略及对共享参数的依赖等问题,Deb等人又提出了NSGA2Ⅱ[6]。与NSGA相比,NSGA2Ⅱ做了下面几点改进:①提出快速非支配排序法,使计算复杂度显著降低;②引入精英策略,防止优秀解丢失,扩大采样空间;③提出拥挤度和拥挤度比较算子,代替了需要指定共享半径的适应度共享策略。本文根据水深截断系泊系统设计准则,给出了多目标函数表达式。为提高计算速度,开发了高效的系泊系统静力计算模块,结合NSGA2Ⅱ算法,实现了大范围寻优和多目标优化,最后以一深海单柱式平台水深截断系泊系统优化设计为例进行了详细介绍。2系泊系统的静力计算2.1线
7、性伸长系泊缆的悬链线方程线性伸长系泊缆的静力方程由非弹性系泊缆推导而来[7],如图1所示,第i段系泊缆单元的静力方程为,H2+U2Ui+H2+U2-H2+L2+H2lniCi=1+UiiLi2EAi
8、wi
9、siiH2+L2Li+iUi+H2+U2CiHiXi=lnLwiH22i++LiCiYi=w2222+Ui-+LiHHi其中,si=Si/Ci,wi=Wi·Ci,Ci为伸长因子,si和wi为系泊缆单元未伸长时的长度和单位长度水中重力,Si和Wi为系泊缆单元伸长后的长度和单位长度水中重力,EAi为系泊缆单元的轴向刚度,Tui和Ui分别
10、为系泊缆单元上端点Bi处的轴向拉力和垂向分量,Tli和Li分别为系泊缆单元下端点Ai处的轴向拉力和垂向分量,Xi和Yi分别为系泊缆单元的水平跨距和垂向跨距。2.2单根系泊缆的静力特性为便于理解,假设海底水平,浮筒为全浸没
