海洋动态脐带缆波形线型均匀曲率过渡的浮筒布置方法

技术领域

本发明涉及海洋脐带缆技术领域，更具体的说是涉及一种海洋动态脐带缆波形线型均匀曲率过渡的浮筒布置方法。

背景技术

水下生产系统脐带缆是水下控制系统的关键，在上部设施和水下生产之间传递液压、电力、控制信号、化学药剂等，为海洋油气资源的开发和生产提供保障。随着向深海能源开发需求的增强，对脐带缆的设计、研发工作提出了更高的要求。在脐带缆整体线型设计的每个阶段都需要建立力学模型并分析评价设计是否满足设计准则，因此整体线型分析是设计的重要手段。

脐带缆的整体设计包括选择线型与附件、设计脐带缆长度、浮筒尺寸以及系统布局等参数。线型是指海底与浮式平台间的脐带缆在其自身的重力、浮力作用下借助附件提供额外浮力或约束所呈现的形态。波形线型是深海工程应用时海洋动态脐带缆常用的线型之一，对浮体的运动位移以及水动力荷载都表现出较好的顺应特性，可以大幅减小浮体运动对触地点的影响。浮筒是波形线型设计中需要使用的附件之一，主要用于超深水线型设计中减小脐带缆结构张力，浮筒提供的浮力可以抵消脐带缆的一部分自重，从而降低脐带缆顶部和底部的张力，避免由于脐带缆的自重过大而引起的端部破坏，提升脐带缆的使用安全性和可靠性。浮筒在其设计中需要确定浮筒浮力大小、个数和分布。浮筒长度和浮力的增大会使脐带缆弯曲曲率增大，而有效张力减小，反之会使脐带缆弯曲曲率减小，有效张力增大。即浮筒的设计能够直接影响到脐带缆弯曲曲率和有效张力的变化。

目前，国内外均采用相同型号的浮筒设计并均匀布置，用于满足脐带缆波形线型设计在减小脐带缆有效张力方面的需求。但是布置相同型号的浮筒，将导致海洋柔性管缆波形线型中浮筒布置段的中点位置曲率过大，造成脐带缆结构损坏。目前的浮筒设计仅采用水动力仿真分析软件进行试算。该方法显然不能同时满足有效减小脐带缆的最大弯曲曲率和减小有效张力的要求。因此，如何提供一种海洋动态脐带缆波形线型均匀曲率过渡的浮筒布置方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种海洋动态脐带缆波形线型均匀曲率过渡的浮筒布置方法，浮筒段布置采用不同尺寸型号非均匀大小浮力块的布置方式，通过调整浮力块的体积，控制L2段浮力的分布，实现海洋动态脐带缆波形线型布置时，波形线型曲率均匀过渡。

为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种海洋动态脐带缆波形线型均匀曲率过渡的浮筒布置方法，包括以下步骤：

S1、建立浮筒设计变量与目标函数和约束函数之间的代理模型；

S2、在给定取值约束范围内，初始化各浮筒设计变量的值；

S3、将浮筒设计变量的值输入代理模型，求解相应的目标函数和约束函数的值；

S4、将当前浮筒设计变量值、目标函数值和约束函数值代入遗传算法，进行设计变量的更新；

S5、判断当前优化迭代是否收敛，如果收敛则继续进入S6，否则跳转至S2，并进行新一轮的优化迭代；

S6、对优化结果进行后处理，并根据优化结果生成构成浮筒段的各个浮力块的几何模型。

可选的，S1具体为：

S101、在浮筒设计变量取值范围内，采用拉丁超立方采样技术，生成浮筒设计变量的样本点；

S102、对各样本点采用Orcaflex进行目标函数和约束的求解；

S103、将样本点的设计变量值、目标函数值和约束函数值导入Isight软件，采用径向基神经网络，建立浮筒设计变量与目标函数和约束函数之间的代理模型；代理模型的输入为各样本点的浮筒设计变量值，输出为目标函数和约束函数的取值。

可选的，S102具体为：

S1021、在Orcaflex中，根据脐带缆波形线型下段悬链线的长度L1，浮筒段长度L2，上段悬链线的长度L3，各个浮力块的长度、内径和外径，建立脐带缆施加浮筒段的有限元模型；

S1022、在Orcaflex中输入脐带缆的截面的尺寸和材料信息，浮筒的材料信息以及边界条件，提交计算；

S1023、待Orcaflex计算完成后，提取脐带缆中各Line单元的曲率和应力信息，以及脐带缆的端部张力，以求解目标函数和约束函数的值。

可选的，浮筒设计变量为：

式中，x为浮筒段设计变量合集，

可选的，浮筒段设计变量的给定取值约束范围为：

式中，

可选的，优化的目标函数为：

Minf(x＝max(κ

式中，κ

可选的，约束函数包括浮筒的总质量约束、浮筒的总长度约束和脐带缆浮筒段端部张力约束；

i≤f

式中，m为浮筒的总质量约束，m

可选的，S6中的各个浮筒的几何模型通过Pro/E、SolidWorks、Catia建模软件中的一个生成。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明提供了一种海洋动态脐带缆波形线型均匀曲率过渡的浮筒布置方法，具有以下有益效果：本发明的线型设计中，浮筒布置采用了不同规格的非均匀布置方式，采用提出的优化设计方法，首先确定各浮力块安装的配置以及浮力大小，其次根据浮力的大小确定各个浮力块的体积；通过调整浮力块的体积，控制L2段浮力的分布，进而实现局部弯曲曲率、整体线型和端部张力的调节和控制。在实现海洋动态脐带缆波形线型控制时，可保证脐带缆波形线型具有更为均匀的曲率过渡，防止因弯曲曲率过大而引起结构破坏失效，提高脐带缆在位服役的安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的浮筒布置方法流程图；

图2为本发明的浮筒段布置示意图；

图3为现有技术中的波形线型的设计示意图；

图4为现有技术中的浮筒Line单元示意图；

图5为现有技术中的脐带缆整体线型曲率的变化示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种海洋动态脐带缆波形线型均匀曲率过渡的浮筒布置方法，如图1所示，包括以下步骤：

S1、建立浮筒设计变量与目标函数和约束函数之间的代理模型；

S2、在给定取值约束范围内，初始化各浮筒设计变量的值；

S3、将浮筒设计变量的值输入代理模型，求解相应的目标函数和约束函数的值；

S4、将当前浮筒设计变量值、目标函数值和约束函数值代入遗传算法，进行设计变量的更新；

S5、判断当前优化迭代是否收敛，如果收敛则继续进入S6，否则跳转至S2，并进行新一轮的优化迭代；

S6、对优化结果进行后处理，并根据优化结果生成构成浮筒段的各个浮力块的几何模型。

在本发明实施例中，优化过程中连续5次迭代中平均目标函数的变化小于给定收敛容差(0.001)，认为优化迭代收敛。

进一步的，S1具体为：

S101、在浮筒设计变量取值范围内，采用拉丁超立方采样技术，生成浮筒设计变量的样本点；

S102、对各样本点采用Orcaflex进行目标函数和约束的求解；

S103、将样本点的设计变量值、目标函数值和约束函数值导入Isight软件，采用径向基神经网络，建立浮筒设计变量与目标函数和约束函数之间的代理模型；代理模型的输入为各样本点的浮筒设计变量值，输出为目标函数和约束函数的取值。

在本实施例的优化过程中，需要以给定的浮筒设计变量的初始值为起点，通过优化迭代逐步向最优的方向逼近。而在每次过程中，需要根据目标函数和约束的取值，采用优化求解算法更新下一次迭代中的浮筒设计变量取值，直至满足优化迭代的收敛准则。

由上述过程可知，在优化过程中需要不断调用Orcaflex中的有限元求解过程，这将导致大量的计算成本。尤其是当优化迭代的次数过多时，Orcaflex分析造成的计算成本更是难以承受。因此，在开展优化之前，本实施例通过建立目标函数和约束的代理模型，即通过少量的Orcaflex计算，建立设计变量与设计目标和约束之间的近似函数映射关系(即代理模型)。在优化过程中，通过该近似映射关系，直接求得设计变量所对应的目标函数和约束函数的取值，而不需要再进行Orcaflex计算，从而提升优化的效率。

进一步的，S102具体为：

S1021、在Orcaflex中，根据脐带缆波形线型下段悬链线的长度L1，浮筒段长度L2，上段悬链线的长度L3，各个浮力块的长度、内径和外径，建立脐带缆施加浮筒段的有限元模型；

S1022、在Orcaflex中输入脐带缆的截面的尺寸和材料信息，浮筒的材料信息以及边界条件，提交计算；

S1023、待Orcaflex计算完成后，提取脐带缆中各Line单元的曲率和应力信息，以及脐带缆的端部张力，以求解目标函数和约束函数的值。

在本发明实施例中，边界条件包括边界固定约束、重力载荷、水动力载荷。

进一步的，浮筒设计变量为：

式中，x为浮筒段设计变量合集，

进一步的，浮筒设计变量的给定取值约束范围为：

式中，

在本发明实施例中，水深1300m，浮力块的长度取值下限为1m，浮力块的长度取值上限为5m，浮力块的外径取值下限为0.13m(脐带缆外径)，浮力块的外径取值上限为0.39m(为脐带缆外径的3倍)。

进一步的，优化的目标函数为：

Minf(x)＝max(κ

式中，κ

进一步的，约束函数包括浮筒的总质量约束、浮筒的总长度约束和脐带缆浮筒段端部张力约束；

f≤f

式中，m为浮筒的总质量约束，m

在本发明实施例中，脐带缆湿重15kg/m，浮筒总质量上限为15000kg，浮筒总长度上限为250m，脐带缆的端部张力极限的取值为900kN。

进一步的，S6中的各个浮筒的几何模型通过Pro/E、SolidWorks、Catia建模软件中的一个生成。

更进一步的，在本发明的一个实施例中，代理模型还可以采用Kriging模型和响应面模型中的一个，代理模型的构建采用Matlab、Python等第三方库中的一个。

更进一步的，在本发明的一个实施例中，将浮筒的总长度作为目标函数，浮筒的最大曲率、浮筒的总质量和脐带缆的端部张力为约束函数进行优化，优化后的L2段更具有经济性。

更进一步的，在本发明的一个实施例中，将浮筒的总质量最小化作为目标函数，浮筒的最大曲率、浮筒的总长度和脐带缆的端部张力为约束函数进行优化。

更进一步的，在本发明的一个实施例中，S4中采用粒子群算法、蚁群算法中的一个进行更新。

更进一步的，在本发明的一个实施例中，优化后的浮筒段布置如图2所示，采用不同规格的浮力块非均匀布置方式。

现有技术中的波形线型如图3所示，波形线型设计可以划分为三段，下段悬链线L1，浮筒段L2，上段悬链线L3，在给定浮筒材料的前提下，浮筒段浮力是D

(1)结构分析：脐带缆模型的悬垂段、下降段和流线段采用Line单元，浮筒段采用Line单元中的Buoyancy modules attached to a line(Line with Floats)方法进行模拟。

(2)浮筒设计变量：Line with Floats的基本构型如图4所示，并且所有浮力块采用相同规格，在设计中，通过优化D

目前，浮筒段采用相同规格的浮筒设计方式，虽然可在一定程度上降低端部张力，但在设计过程中会出现脐带缆局部曲率过大的情况，如图5所示，虚线之间的部分为浮筒段的曲率。出现该情况的原因是，传统单一规格浮筒设计方案和方法难以充分发挥浮筒对线型、张力和曲率的调节能力。尤其是在局部曲率的调整方面存在很大的不足。可以看出，本发明实施例中的浮筒布置采用了不同规格的非均匀布置方式，在实现海洋脐带缆波形线型控制时，可保证脐带缆局部具有更为均匀的曲率过渡，防止因弯曲曲率过大而引起的结构破坏失效，提高脐带缆在位服役的安全性。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。