浮式结构系泊系统柔性准静态设计优化方法

《Journal of Marine Science and Engineering》：A Flexible Quasi-Static Mooring Design Optimization Method for Floating Structures

　　

本文提出一种用于浮式结构系泊系统设计的柔性高效优化方法。系泊系统优化具有挑战性，原因在于系泊系统行为强非线性且须满足众多技术约束。不同系泊构型设计空间差异显著，现有文献虽有个例成功，但跨多类系泊问题通用之优化方法仍属难题。研究人员基于柔性参数化（以变量列表描述多种系泊设计）、准静态系泊模型（quasi-static mooring model，不直算动力学高效评估）及优化框架（生成、评估、调整设计并兼顾锚泊半径、偏移限、强度安全系数、海床接触限等用户约束）构建方法。在四类系泊设计问题上演示框架，比较不同设计模式简化问题之效，计算时间最多降75%；比较不同优化算法，速度差达51倍；对某设计做敏感性研究，发现锚泊半径对水深局部敏感性相关系数0.29，全局敏感性呈强非线性；对一优化设计做耦合动力分析，平均平台运动与缆张力与动力结果差小于1%，极值差小于14%；演示中DEA-Chain-Polyester构型成本最优，与行业惯例一致。

研究背景与问题提出

浮式结构技术持续向高效化、规模化与深水化发展，系泊系统作为定位核心，其设计需兼顾稳定性与经济性。现有系泊优化研究多针对特定浮式应用、特定分析域与模型保真度，属定制解；极少开源，且难以跨构型、跨变量、跨约束通用。准静态模型虽牺牲缆/平台动力行为，但可秒级评估设计，避免代理模型训练开销与频域/时域仿真计算负担。据此，研究人员开发基于MoorPy的开源、柔性、高效系泊设计优化框架，以填补通用性与可及性缺口。

主要关键技术方法

研究人员以MoorPy 1.1（开源Python准静态系泊库）为引擎，引入Subsystem对象于垂直平面求解以提升效率；采用连续设计参数向量p描述锚泊半径A、各段长度L_i、直径D_i与接点湿重W_i，借设计参数索引向量i将参数归为设计变量、“c”常数、“s”内循环求解三类；以无位移/均值偏移/极值偏移三态近似动力（极值偏移=均值偏移±用户预设纵荡幅值x_amplitude），纤维绳动刚度修正参考静态绕均值变分处理；约束涵盖偏移、着底长度、绳触底、强度（张力安全系数TSF）、刚度等；设normal/ghost/offset/tension/stiffness五种模式，以内循环非线性求解消减变量数；优化工作流支持COBYLA、SLSQP、差分进化（DE）、粒子群（PSO）等算法，单目标为系泊线+锚总成本最小（链$51700/m³·d²、聚酯$5080/m³·d²、DEA/suction pile锚材安拆费按API RP-2SK安全系数计）。案例均基于VolturnUS-S半潜平台、缅因湾200 m水深、DLC 1.6极端环境。

研究结果

3.1 设计模式研究：以DEA-Chain构型用COBYLA优化，normal模式2.4 s得最优（链长1036 m、直径103 mm、半径1033 m、成本$1.17M）；offset模式固定远偏移34.4 m内解链长，耗时0.63 s（降75%）；tension模式解预张力634 kN耗时0.34 s（降86%）；ghost模式调半径与链长保20 m着底耗时1.85 s。表明内循环代等式约束换不等式约束可大幅提速且不失最优。

3.2 优化器研究：DEA-Chain-Polyester构型比选COBYLA/SLSQP/DE/PSO。COBYLA初值敏感，良初值近优解数十次目标评估秒级；SLSQP需梯度近似、迭代1661次304 s未近优；DE种群15收敛4296次3089 s得与COBYLA近同解；PSO群1000迭代50次更久且未压至约束边界。算法速度差达51倍，元启发式搜全域但贵，梯度法无解析梯度不占优。

3.3 敏感性研究：Suction-Chain-Polyester-Chain构型COBYLA+offset模式，局部扰动4%显示锚半径对水深局部灵敏0.29，纵荡幅值/平均力/动力放大因子DAF正相关设计尺寸与成本，目标偏移负相关；水深全局扫描200–1000 m发现锚半径非单调（400 m峰、600 m谷后再升），聚酯绳长近似随水深比例增，300 m成本最低、500 m最高，局部与全局灵敏性非线性背离。

3.4 验证研究：Suction-Chain-Float-Polyester构型normal模式优化（半径1025 m、接点浮力8 t置换），代入OpenFAST耦合时域仿1 h（含10 min瞬态）。准静态均值平台纵荡、平均缆张力与OpenFAST差<1%；极值偏移与张力差<14%（因初设x_amplitude=10 m高于实测7.0 m偏保守）。证明准静态近似可替迭代内动力评估，留待二轮回代更新幅值。

3.5 构型对比：四种构型同场景优化，DEA-Chain-Polyester成本$1.12M最低，DEA-Chain $1.17M次之，吸力桩锚因载大价高致另两构型锚成本抬升；相对原VolturnUS-S用185 mm链850 m方案，框架优化链径降44%、长度半径增22%/23%降本。中等水深半绷紧（semi-taut）DEA-Chain-Polyester符合行业降本趋势。

讨论与结论翻译

讨论指出框架以准静态避主循环动力学开销，但非替代整体设计中之动力校核；若准静态与OpenFAST回代幅值不收敛，示非线性过强需升维建模。变量增多时COBYLA陷局部、DE/PSO指数耗时，故框架聚焦单线构型、线数/段数外置决定。

结论部分：研究人员开发开源、柔性、高效系泊设计优化框架，借连续参数化、MoorPy准静态Subsystem与三态偏移近似，秒级评设计；五种模式内解变量最多节时75%；DEA-Chain-Polyester案例算法速差51倍；锚半径对水深局部相关0.29、全局非线性；准静态均值/极值与OpenFAST差<1%/14%；200 m缅因湾VolturnUS-S下DEA-Chain-Polyester成本最优，与业界半绷紧转向一致。框架价值在跨应用、易换算法模式、快出方案，但须使用者明确定式以防不可行，且准静态局限须在解读中知晓。论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。