论文总字数：17035字

摘 要

压载系统在半潜式起重吊装作业时通过改变压载舱内储备压载水量的变化可调节平台重心及浮心位置，可在吊载过程中提供良好的稳性。在海上作业过程中，海洋环境十分复杂，风浪变幻莫测，吊载过程需要在十分难得的平静海况下迅速完成。为保障平台的安全和工作人员的生命财产安全，提高起重平台的压载速度就极为必要。压载效率作为考察半潜式起重平台性能的重要指标，快速、高效的压载系统和压载水调配优化研究具有十分重要的意义。

本文为提高半潜式起重平台压载效率，对半潜式起重平台立柱压载舱进行优化设计，以船舶静力学为理论基础，以半潜式起重平台立柱快速压载舱室的尺寸变量为优化变量，以压载过程持续时间最短为优化目标，以起重过程中船体具备足够稳性为约束条件，对半潜式起重平台的8种典型工况，建立了半潜式起重平台压载水调拨数学模型和多目标优化模型，运用PSO优化算法对所述问题进行优化，将所得优化结果进行仿真，并对PSO算法与现有智能优化算(Cuckoo search)法进行了对比。实验结果表明，PSO算法所得的优化方案可显著提高半潜式起重平台的压载效率，十分适用于半潜式起重平台压载舱优化设计研究，并且PSO算法的优化性能远远好于对照组。

关键词：半潜式起重平台；立柱快速压载舱；粒子群优化算法；布谷鸟搜索算法

ABSTRACT

The ballast system can adjust the position of the center of gravity and the center of buoyancy of the platform by changing the amount of ballast water stored in the ballast tank during the semi-submersible lifting operation, which can provide good stability during the lifting process. In the course of offshore operations, the marine environment is very complex, the wind and waves are unpredictable, and the lifting process needs to be completed quickly under very rare calm sea conditions. Ensure platform safety and employee life and property safety. It is extremely necessary to increase the ballast speed of the lifting platform. As an important indicator for checking the performance of semi-submersible lifting platforms, the ballast efficiency is fast. The research on efficient ballast system and ballast water distribution optimization is of great significance.

In order to improve the ballast efficiency of the semi-submersible lifting platform, this article optimizes the design of the column ballast tank of the semi-submersible lifting platform, takes the ship statics as the theoretical basis, and uses the size of the rapid ballast compartment of the column The variable is an optimization variable, with the shortest duration of the ballast process as the optimization goal, and the hull having sufficient stability during the lifting process as a constraint, the semi-submersible lifting platform was established for 8 typical working conditions of the semi-submersible lifting platform. Mathematical model of heavy platform ballast water allocation and multi-objective optimization model, the PSO optimization algorithm is used to optimize the problem, the obtained optimization results are simulated, and the PSO algorithm is compared with the existing intelligent optimization algorithm (Cuckoo search) method. The experimental results show that the optimization scheme obtained by the PSO algorithm can significantly improve the ballast efficiency of the semi-submersible lifting platform, and it is very suitable for the optimization design research of the ballast tank of the semi-submersible lifting platform. Control group.

Keywords: Semi-submersible crane vessel; Column side ballast tank; Particle swarm optimization algorithm; Cuckoo search algorithm

目录

第1章 绪论 1

1.1 课题研究的背景、目的和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 课题研究内容 3

1.4 预期目标 3

第2章 压载舱室设计 5

2.1 起重平台结构 5

2.2 压载舱室几何模型 6

第3章 建立数学模型 9

3.1 平台平衡模型 9

3.2 进排水时间模型 10

3.2.1 压缩空气排水 10

3.2.2 重力自流进水 11

3.3 平台浮态模型 12

第4章 多目标优化模型 15

第5章 算法求解与实验结果 17

5.1 粒子群优化算 17

5.2 布谷鸟算法 18

5.3 实验结果 19

第6章 结论与展望 21

参考文献 23

致谢 25

绪论

课题研究的背景、目的和意义

半潜式起重平台是海上作业工作的起重工程船，其船体半潜入水中，可依靠自身动力不依靠拖轮自主航行，且具备超强吊载能力。在海难救助与打捞工程、海洋资源的开发、以及众多海上设备安装工作所必需的大型重要机械装备，半潜式起重平台广泛应用于海洋工程领域，例如海上风电设备安装运输，铺设海底管道和电缆及海面平台拆除。半潜式起重平台吊载重量远高于常规起重船，其工作时由于受吊载重物重力的影响，半潜式起重平台在力矩的作用下发生倾斜，破坏其正浮状态，使平台稳性降低，严重时会使平台发生倾覆。为平衡半潜式起重平台所受的倾覆力矩，平台的压载系统通过改变压载舱室内压载水量，使平台在压载水重力作用下产生与吊载货物相反的力矩，保障平台时刻处于平衡状态，并且保障平台具有足够的吃水深度，并降低平台的重心高度，使平台时刻具备足够的稳性，使整个吊装过程安全进行。但半潜式起重平台工作时所在区域海况复杂，吊载工作需要十分难得的窗口期，若压载水不能及时调拨将严重危及平台安全和工作人员的生命财产安全，所以提升压载水的调拨速度极为重要。为提高半潜式起重平台立柱快速压载能力，减少压载时间和压载水调节量，半潜式起重平台在开发时对压载系统的优化设计研究具有重要意义，其所得优化数据可为整个平台设计提供参数支持，压载性能的提升可为我国研发更大吨位的起重平台提供技术支持，推动我国海洋资源开发事业更进一步。快速压载技术不仅可使平台提高工作效率，更重要的是极大的保障了海上作业的安全。

国内外研究现状

针对大型起重船及半潜式起重平台压载效率的提升，国内外众多学者都以不同方式进行了研究与改进。柳春清等根据自身在船舶设计工作中积累的经验，运用船舶原理知识，设计出一套可降低压载水调拨时间，降低压载水调节量，提升压载效率的压载调式模拟系统^[1]。刘志杰等以全回转式起重船起吊货物为研究对象，基于船舶静力学和优化理论利用MatLab建立了起重船舶压载水调配模型对压载水调拨过程进行优化，以压载水总调配量最小为总技术目标，提升压载系统工作效率^[2]。陈雷和李含苹对2×8000t大型起重船不同形式的压载舱布置方案的压在效果进行了比较，根据不同调拨方案的分析结果，对压载水调拨系统进行了优化设计，通过对比实验对设计方案成果进行检验，最终确定了压载效果最佳的压载方案^[3]。由于回转起重船在吊载作业时吊机回转会改变船舶重心，破环船舶正浮状态，潘伟提出了一种多压载舱船型计算压载水调节量最小化的计算模型，通过Lingo软件，对压载系统进行优化，可使吊机回转与压在水泵协调配合，安全高效^[4]。在压载舱的容积和位置的研究工作中，张茴栋等通过对7500t全回转式起重船建立数学模型，提出了应用数值分析法的优化原则，对不同起重形式下各压载舱室压载水变化量，舱室内压载水位进行分析，通过对两种方案的对比探究发现在压载舱优化设计研究中数值分析法可以为优化工作提供帮助^[5]。宋玉祥等设计出一种将行车原理应用于压载水调拨的新型压载水调节方式，这种调节方式可根据不同工况对压载过程进行及时调整，显著提高压载系统的压载效率^[6]。黄超等根据大型驳船起重船的船型特点，提出了三种压载舱分层节结构设计方案，在压载水调拨方案研究中提出了四种复合压载方案，经过对以上方案压载效率的对比和分析，最终确定了针对不同船型特点提高压载速度所适用的压载舱分层方案和复合压载方案^[7]。Leandro Marques Samyn等设计了用于半潜式平台的压载控制系统开发的六自由度动态模型，动态模型包括压载舱重量，力矩和惯性的影响，可用于评估半潜式平台的稳定性^[8]。Shawn A. Woods等人提出了两种独特的可变压载水控制系统控制方法。首先提出的可变压载水控制系统可改变自动水下航行器的重量，以帮助控制其深度和垂直（惯性）速度，提出的第二个可变压载水控制系统试图将重心沿自身固定的（纵向）轴移动，控制其重心和纵倾横倾角度，两套压在装置可根据工作需要对压载舱进行自动的进排水，实现了压载效率的提高^[9]。上述研究都在一定程度上降低了压载水调拨时间，提高了压载效率，但是主要集中于对压载舱室进行分舱分层优化、压载水调节量的优化以及压载系统的智能化操作等方面，没有分析快速压载舱室几何形状对压载效率的影响。

半潜式起重平台在起重过程中工况变化复杂，所涉及参数种类繁多，须同时兼顾被起重重物状态，吊机工作状态和压载水调拨状态及平台浮态，对于立柱压载舱的优化设计这种高维度优化问题，研究人员通过自然界生物的启发，对自然规律进行总结和学习，先后提出了各种仿生学优化算法。James K等研究了一种优化连续非线性函数的粒子群算法，该算法易于编程，并且只需要问题的说明和一些参数即有效解决多种问题^[10]。Yang Xiao jing等提出了中心粒子群算法，所有粒子在每次迭代更新的过程中，随种群中心的不断变化，中心粒子的位置也会进行不断更新，成为全局最优粒子来指导种群中粒子搜索，可明显的提高算法的搜索性能^[11]。Yang和Deb开发了一种启发式优化算法，称为杜鹃搜索算法，在解决工程设计优化问题时可获得最佳解决方案^[12]-[13]。Wang Fan等利用杜鹃搜索算法和粒子群优化算法，提出了一种将两者混合的优化算法。通过这种算法，可使运算过程中粒子群优化算法的搜索范围进行扩展，使粒子群优化算法容易陷入局部极值点的缺陷得到明显修正^[14]。多种智能优化算法为压载仓优化设计提出了众多优化思路，根据本文所探究的半潜式起重平台立柱压载舱的特点，采用PSO与CS算法对研究对象进行优化设计，探究两种智能优化算法在实际工程问题中的优化性能，对日后对于压载系统的研究和优化算法的改进具有重要的参考意义。

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