本发明涉及机械工程导管架平台轻量化优化设计，尤其涉及一种海上升压站导管架平台轻量化优化方法。
背景技术：
1、近年来随着陆地上的资源越来越少，海洋已经成为人们能源获取的重要地点。随着全球能源结构的转型和对可再生能源需求的不断增长，海上风电作为一种清洁能源，近年来得到了迅猛发展。海上风电场的建设不仅能有效利用海上稳定的风力资源，还能减少对陆地环境的影响。海上升压站作为海上风电场中的关键设施，承担着电能的升压与输电任务，其稳定性和经济性直接影响到整个风电场的运行效率和投资回报。
2、导管架平台是升压站中的一种重要大型钢结构，其建造会耗费大量钢材，加上平台所处海域环境复杂，会长期受到多种环境荷载的作用。为确保平台的安全，设计者通常会采用过保护的设计造成冗余。导管架平台造价昂贵，市场需求较大，成本较高。然而，现有技术下的海上升压站导管架平台存在诸多不足之处，亟需技术创新以应对日益增长的行业需求。
3、现有技术的海上升压站导管架平台多采用传统的设计方法，这些方法往往依赖于经验公式和有限的案例库，缺乏系统性的优化。在实际应用中，这些平台常常面临着结构重量过大、材料使用效率低、成本高昂等问题。尤其是在复杂的海洋环境中，传统设计往往难以兼顾平台的强度、刚度和稳定性，导致结构过于保守，造成材料浪费和经济性下降。此外，现有设计在面对极端海洋环境，如强风、波浪、海流以及冰区条件时，其适应性和安全性仍有待提高。现有技术在解决这些问题时，往往采取增加结构尺寸和材料厚度的方式来提高安全性，但这又进一步增加了成本和施工难度。
4、在现有技术中，尽管有限元分析等数值模拟方法已经被应用于导管架平台的设计中，但这些方法大多停留在单一的静力分析或模态分析阶段，缺乏对平台在多种环境荷载作用下的综合评估。此外，现有设计方法往往忽视了结构优化与材料特性、施工技术以及经济性之间的关联，导致优化设计缺乏全局性和系统性。特别是在冰区等特殊环境下，现有技术往往缺乏有效的抗冰设计，无法有效应对海冰带来的挑战，这不仅增加了维护成本，也对平台的安全性和可靠性构成了威胁。
5、因此，有必要开发一种新的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，以解决现有技术的不足。本发明旨在通过综合考虑平台的结构特性、材料特性、施工技术以及经济性，提出一种系统的优化设计方法。该方法将通过精细化的数值模拟和全局优化策略，实现导管架平台在满足强度、刚度和稳定性要求的同时，达到减轻结构重量、降低制造成本的目的。同时，本发明还将针对特殊海洋环境，如冰区，提出创新的抗冰设计，以提高平台的适应性和安全性。通过这些技术改进，本发明将为海上风电行业提供一种更为高效、经济、安全的升压站导管架平台设计方案。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明提出一种海上升压站导管架平台轻量化优化方法，解决了导管架平台造价昂贵，市场需求较大，成本较高的难题。
2、为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
3、一种海上升压站导管架平台轻量化优化方法，包括以下步骤：
4、s1、根据平台的结构尺寸选取适宜的单元仿真建立导管架平台的有限元模型；
5、s2、收集所处海域环境特点以及水文条件相关资料，根据功能舱与设备布置、环境特点、结构型式、实际工况分类计算导管架平台所承受的荷载；
6、s3、对导管架平台进行静力分析；
7、查询规范得到最大应力、最大位移、径厚比等许用值，使用ansys对结构进行在外界荷载作用下的静力分析，包括应力、变形、剪力计算，根据分析云图结合规范值可对结构的强度与刚度性能进行评估；通过静力分析结果对上部平台几乎不受力的杆件进行删除；
8、s4、在步骤s3基础上对导管架平台进行模态分析，提取前六阶固有频率，将结构固有频率与环境激励的频率进行对比，以此评估平台是否会发生共振；
9、s5、对海上升压站导管架结构进行优化设计；
10、采用拓扑优化与尺寸优化两种方法，首先采用拓扑优化对结构型式进行优化，将结构进行优化区域与排除区域区分，设置好参数后进行迭代收敛得到拓扑结构，根据拓扑结果对原始结构进行删减重构，并对重构后的模型进行力学分析评估其强度与刚度；
11、根据其校核结果假设三种思路：一是如果强度刚度在许用范围内并且不存在冗余，便不需要再进行尺寸优化，可以进行后续的模态与疲劳分析等；二是如果强度刚度在许用范围内并存在充足的冗余便可以在此基础上进行尺寸优化，然后对尺寸优化后的结构进行强度评估与疲劳分析等；三是如果强度刚度不满足规范要求，拓扑后的结构型式不满足实际工况下的要求，因此保留原始结构型式对其尺寸进行优化，以设计变量、目标函数、约束条件建立优化数学模型，程序不断迭代优化直至得到满足强度刚度要求的最优参数组；
12、s6、将优化后结构与原始结构性能对比；
13、步骤s5得到的最优参数组包括：结构优化前后的重量、应力、变形等，以此可以校核结构的强度刚度；对优化后的结构进行模态分析，将优化后结构的固有频率与优化前的进行对比观察其变化，并与波浪频率相比判断是否发生共振；
14、对优化后的平台结构进行疲劳分析，选用s-n曲线作为疲劳分析的标准，得到杆件的疲劳寿命以及最大累积损伤，评估优化后结构在设计寿命内是否会发生疲劳破坏，确保方案的可行性。
15、同时为了提高优化方法的应用范围，基于以上结构提出一种抗冰设计，包括以下步骤：
16、1）将水平面以下的第二层横梁降低，水平面以上的三层横梁向上移动的方式，由于导管架上层应力相比之下会更大，因此上层横梁向上移动可以降低应力，这样可以减少冰面与导管架的接触面积；
17、2）在临近冰期时可以在二三层之间的导管套上隔水套管，根据受力分析可以对冰主要作用的导管局部加厚；由于海冰一开始浮于水面，会随着海流运动，并带有一定厚度，因此二三层之间部分为海冰最易作用区域，在导管架二层横撑以上的导管架桩腿设置抗冰锥体结构，当锥体与冰相互作用后会产生很多碎冰并在井口堆积，随着时间的推移容易形成冰层，因此可以在井口上部设置除冰装置，设置一些化冰液罐以及可以伸缩的旋转破冰机，当冰层形成时，破冰机将冰层捣碎，然后喷射滑冰液将捣碎的碎冰融化。
18、步骤s1中，根据该升压站的设计图纸，使用ansys软件建立其三维有限元模型；
19、在建模过程中，采用pipe59单元模拟导管架结构海平面以下的导管，其他部分用beam188单元；对于上部平台，然后利用ansys对升压站进行几何单元建模，并适当简化，其三层甲板采用shell181单元进行模拟，其余构件采用beam188单元模拟；参照设计图纸计算分层放置在导管架平台甲板上的设备、舱室等的重量，根据计算结果采用mass21单元均布施加到不同的甲板面上，一层甲板为112.79t，二层甲板为976.61t，屋面层甲板为32.02t。
20、本发明中材料为dh36高强度钢，密度为7850kg/m³，弹性模量为206gpa，泊松比为0.3；
21、步骤s2中，导管架平台所受的环境荷载主要有风荷载、波浪荷载、海流荷载。
22、步骤s3中，在静力分析的过程中，ansys系统会自动计算结构的重力，通过均布力的形式将平台上部设备等荷载直接加到甲板上；
23、为了更有针对性的了解导管架平台的力学性能，考虑将风荷载与波流荷载入射方向保持一致作为最不利工况；其最大应力为153.23mpa，小于许用应力216mpa，最大剪切应力为17.63mpa，小于抗剪许用应力144mpa，上层最大位移为35.626mm，上、下两层平台的最大横向位移差值为12.57mm，上部平台竖直高度为14m，计算得到相对柱顶位移角为1/1114，小于最大柱顶位移角1/500的刚度约束，强度刚度都满足要求。
24、步骤s4中，通过对导管架平台进行模态分析得到前六阶的振型云图和固有频率，同时与波浪载荷的激励频率范围进行对比判断是否会发生共振；
25、结果显示前六阶固有频率为1.0723hz~1.3308hz，与波浪频率0.099hz~0.222hz相差很大，因此不会发生共振。
26、依据波浪谱可以得到波浪的特征，输入到ansys中进行瞬态响应分析，可得到等效应力与位移随时间变化的响应值，最大应力为132.24mpa，小于许用应力216mpa，最大变形为46.79mm，小于许用最大位移300mm，响应值都在安全范围内，强度刚度满足要求。
27、采用响应谱分析方法计算地震响应，根据计算得到的模态分析结果，查询得到长乐地区地震的动加速度反应谱，用加速度载荷的方式将地震波加载到模型上计算得到结构的位移与应力云图，最大应力为322.8mpa，小于屈服强度360mpa，最大位移为84mm，小于许用最大位移300mm，安全系数为1.2，规定极端工况下安全系数为1.1，可以认为当地震发生时该平台有足够的强度承受地震力，不至于会倒塌破坏。
28、步骤s5中，采用拓扑优化与尺寸优化两种方法对导管架平台进行优化设计，采用拓扑优化对结构型式进行优化，得到拓扑后的结构型式不满足规范要求，因此保留原始结构型式对其进行尺寸优化，利用ansys的响应面模块，将导管架中同截面尺寸的导管进行统一设计变量上下限值，p12为桩腿以上部分导管腿，p13为导管架外部斜立的主支撑导管，p14为一层x型斜立管，p15为上面三层的x型斜立管与水平导管；
29、同时按照规范进行设置许用应力、位移等约束条件，以导管架的质量为目标函数，程序迭代优化得到满足约束条件的最优参数组，导管平均半径变化对结构等效应力、位移变形以及质量的影响可通过响应面模型显示，最大应力为174.82mpa，最大变形为61.311mm，杆件外径减小，设定的管厚不变，杆件的径厚比（d/t）小于60，减重525t，在满足强度刚度要求下实现轻量化。
30、对结构进行模态分析，得到优化后结构的频率增大但和波浪频率依然相差较大，因此不会发生共振；
31、对优化结构进行疲劳验算，考虑其设计寿命为20年，将s-n曲线导入系统能够对导管架平台的疲劳寿命进行预测，得到结构的最小疲劳寿命为41393个循环；
32、导管架的最不利位置处的累积损伤值为0.48，远小于允许损伤值1；
33、显示优化后的结构在设计寿命内不会出现疲劳破坏，是安全可靠的设计。
34、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
35、本发明提出的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，相较于现有技术，展现出显著的有益效果。首先，本方案基于ansys软件，通过精细化的数值模拟和全局优化策略，实现了在保障结构安全的前提下对导管架平台进行有效的轻量化设计。优化后的模型在减轻重量的同时，虽然应力与位移有所增加，但经评估均处于安全范围内，从而降低了结构的冗余度。
36、具体而言，本发明的有益效果体现在以下几个方面：
37、经济性提升：通过减少斜撑杆和调整板厚，本方案大幅降低了海上升压站的制造成本，同时不牺牲结构的安全性和稳定性，为投资者带来更高的经济回报。
38、安全稳定性增强：有限元分析结果表明，优化后的升压站在最大形变和固有频率方面均保持在安全范围内。即使在极端海洋环境下，平台也能保持稳定运行，安全系数达到1.53，验证了设计的可靠性。
39、抗共振性能优化：长乐外海海域波浪周期为4.5~10.1 s，相应的频率为0.099hz~0.222 hz，针对长乐外海海域的波浪特性，本发明的升压站固有频率与波浪频率相差较大，有效避免了共振现象的发生。同时，通过优化设计避免了在2.25hz附近激励力的影响，进一步提高了平台的抗共振性能。
40、轻量化效果显著：通过优化设计，升压站整体质量减少了323.9吨，实现了显著的轻量化效果，同时确保了结构在设计寿命内的正常工作条件。
41、抗冰设计创新：本方案还特别提出了适用于冰区环境的抗冰设计，拓宽了优化方法的应用范围，使得本发明的优化方法能够适应不同海域的导管架平台，增强了其实用性和灵活性。
42、综上所述，本发明不仅在技术层面实现了创新突破，更在经济性和安全性方面为海上风电行业带来了实质性的改进和价值。
1.一种海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于：还包括一种抗冰设计，包括以下步骤：
3.根据权利要求1所述的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于：步骤s1中，根据该升压站的设计图纸，使用ansys软件建立其三维有限元模型；
4.根据权利要求1所述的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于：本发明中材料为dh36高强度钢，密度为7850kg/m³，弹性模量为206gpa，泊松比为0.3；
5.根据权利要求1所述的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于：步骤s3中，在静力分析的过程中，ansys系统会自动计算结构的重力，通过均布力的形式将平台上部设备等荷载直接加到甲板上；
6.根据权利要求1所述的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于：步骤s4中，通过对导管架平台进行模态分析得到前六阶的振型云图和固有频率，同时与波浪载荷的激励频率范围进行对比以评估共振可能性；
7.根据权利要求1所述的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于：依据波浪谱得到波浪的特征，输入到ansys中进行瞬态响应分析，得到等效应力与位移随时间变化的响应值，最大应力为132.24mpa，小于许用应力216mpa，最大变形为46.79mm，小于许用最大位移300mm，响应值都在安全范围内，强度刚度满足要求。
8.根据权利要求1所述的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于：采用响应谱分析方法计算地震响应，根据计算得到的模态分析结果，查询得到地震的动加速度反应谱，用加速度载荷的方式将地震波加载到模型上计算得到结构的位移与应力云图。
9.根据权利要求1所述的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于：步骤s5中，采用拓扑优化与尺寸优化两种方法对导管架平台进行优化设计，采用拓扑优化对结构型式进行优化，得到拓扑后的结构型式不满足规范要求，因此保留原始结构型式对其进行尺寸优化，利用ansys的响应面模块，将导管架中同截面尺寸的导管进行统一设计变量上下限值，p12为桩腿以上部分导管腿，p13为导管架外部斜立的主支撑导管，p14为一层x型斜立管，p15为上面三层的x型斜立管与水平导管；
10.根据权利要求1所述的海上升压站导管架平台轻量化优化方法，其特征在于：对结构进行模态分析，得到优化后结构的频率增大但和波浪频率依然相差较大，因此不会发生共振；
