Modeliranje i optimizacija polaganja podmorskih cjevovoda

  • View
    228

  • Download
    4

Embed Size (px)

Text of Modeliranje i optimizacija polaganja podmorskih cjevovoda

  • SVEUCILITE U RIJECITEHNICKI FAKULTET

    Stefan Ivic

    MODELIRANJE I OPTIMIZACIJAPOLAGANJA PODMORSKIH

    CJEVOVODA

    DOKTORSKA DISERTACIJA

    Rijeka, 2014.

  • SVEUCILITE U RIJECITEHNICKI FAKULTET

    Stefan Ivic

    MODELIRANJE I OPTIMIZACIJAPOLAGANJA PODMORSKIH

    CJEVOVODA

    DOKTORSKA DISERTACIJA

    Mentor: prof. dr. Senka MaceicKomentor: prof. dr. Luka Sopta

    Rijeka, 2014.

  • UNIVERSITY OF RIJEKAFACULTY OF ENGINEERING

    Stefan Ivic

    MODELING ANDOPTIMIZATION OF SUBMARINE

    PIPE LAYING

    DOCTORAL THESIS

    Rijeka, 2014.

  • Mentor disertacije: prof. dr. sc. Senka MaceicKomentor disertacije: prof. dr. sc. Luka Sopta

    Doktorska disertacija obranjena je dana na Tehnickomfakultetu Sveucilita u Rijeci, pred povjerenstvom:

    1. doc. dr. sc. Sinia Drueta, predsjednik

    2. prof. dr. sc. Senka Maceic, mentor, clan

    3. prof. dr. sc. Luka Sopta, komentor, clan

    4. prof. dr. sc. Marko Canadija, clan

    5. prof. dr. sc. Josip Tambaca, clan, (Matematicki odsjek Prirodoslovno-matematickog fakulteta Sveucilita u Zagrebu)

  • SAETAK / ABSTRACT

    U doktorskoj disertaciji obradena je tema modeliranja i optimizacije pola-ganja podmorskih cjevovoda. Razmatran je model polaganja temeljen nanelinearnom elasticnom modelu grede uz elasticne kontaktne interakcijes krutim strukturama valjkastih oslonaca i morskog dna. Osnovni modelpolaganja podmorskih cjevovoda te proirenja modela implementirani su irjeavani u softveru Abaqus za razlicite primjere polaganja cjevovoda. For-muliran je optimizacijski problem odredivanja parametara polaganja, zakoji je razvijena hibridna specijalizirana optimizacijska metoda temeljenana metodi optimizacije rojem cestica. Razvijeni optimizacijski postupak jetestiran i analiziran na vie razlicitih slucajeva polaganja podmorskih cje-vovoda.

    The doctoral thesis deals with the topic of modeling and optimization of thesubmarine pipe laying. Considered laying model is based on a nonlinearelastic beam model with elastic contact interactions with rigid structuresof roller supports and the seabed. The basic model of the submarine pipelaying and its extensions are implemented and solved in the Abaqus sof-tware for various pipe laying cases. The optimization problem is formula-ted to determine the parameters of pipe laying, for which a specialized hy-brid optimization method is developed based on a particle swarm optimi-zation method. Developed optimization method was tested and analyzedin several different cases of submarine pipe laying.

    i

  • KLJUCNE RIJECI / KEYWORDS

    Polaganje podmorskih cjevovoda

    Nelinerani model grede

    Abaqus

    Vieciljna optimizacija

    Optimizacija rojem cestica

    Submarine pipe laying

    Nonlinear beam model

    Abaqus

    Multiobjective optimization

    Particle swarm optimization

    iii

  • SADRAJ

    uvod . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

    1 tehnologija polaganja podmorskih cjevovoda . . . . . . . . . . 51.1 Polaganje podmorskih cjevovoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61.2 S-Lay metoda polaganja cjevovoda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81.3 Dosadanja istraivanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

    1.3.1 Analiticke aproksimacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121.3.2 Numericki modeli . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131.3.3 Optimizacije parametara polaganja . . . . . . . . . . . . . . . 14

    2 modeliranje polaganja podmorskih cjevovoda . . . . . . . . . . 172.1 Model napete grede . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 182.2 Varijante modela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.3 Deformabilne i krute strukture . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 252.4 Postavljanje ogranicenja i opterecenja . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

    2.4.1 Ogranicenja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 272.4.2 Opterecenja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

    2.5 Kontakti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 312.5.1 Kontaktne interakcije u Abaqusu . . . . . . . . . . . . . . . . 312.5.2 Kontakti u modelu polaganja . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

    2.6 Procedure rjeavanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.6.1 Faze Abaqus simulacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.6.2 Vanjske procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

    2.7 Napredne znacajke modela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.7.1 Model plutajuceg stingera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 442.7.2 Neravno morsko dno . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 462.7.3 Uzgonski tankovi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

    3 validacija i primjena modela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 493.1 Usporedba varijanti modela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.2 Validacija modela . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

    v

  • vi sadraj

    3.3 Primjena modela polaganja podmorskih cjevovoda . . . . . . . . . . 563.3.1 Osnovni primjer polaganja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.3.2 Polaganje s plutajucim stingerom . . . . . . . . . . . . . . . . 603.3.3 Polaganje na neravno morsko dno . . . . . . . . . . . . . . . 633.3.4 Polaganje s uzgonskim tankovima . . . . . . . . . . . . . . . 65

    4 formulacija optimizacijskog problema . . . . . . . . . . . . . . . . 674.1 Optimizacijske varijable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.2 Ciljevi optimizacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 744.3 Ogranicenja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 774.4 Funkcija cilja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

    4.4.1 Ocjena ciljeva optimizacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 814.4.2 Pomocni ciljevi optimizacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 834.4.3 Ocjena ogranicenja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

    4.5 Analiza osjetljivosti . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

    5 optimizacijski postupak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 895.1 Optimizacija rojem cestica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 905.2 Modificirana optimizacija rojem cestica . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

    5.2.1 Dodatni pomak cestica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 945.2.2 Diskretne varijable . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

    5.3 Implementacija optimizacijskog postupka . . . . . . . . . . . . . . . . 1015.4 Pareto optimalnost . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

    6 rezultati optimizacije parametara polaganja cjevovoda . . . 1036.1 Primjer A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104

    6.1.1 Podaci i postavke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1046.1.2 Rezultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

    6.2 Primjer B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1136.2.1 Rezultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

    6.3 Primjer C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.3.1 Podaci i postavke . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1186.3.2 Rezultati . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121

    6.4 Utjecaj dodatnog pomaka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 127

    zakljucak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128

    bibliografija . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

    popis slika . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137

    popis tablica . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141

  • KORITENE OZNAKE

    Simbol Jedinica Opis

    B - Uzorak uzgonskih tankova

    B1 N Najblia manja vrijednost uzorka uzgosnkih tankova

    B2 N Najblia veca vrijednost uzorka uzgosnkih tankova

    cc - Kognitivni faktor

    cs - Socijalni faktor

    D m Vanjski promjer cijevi

    di m Udaljenost cijevi od valjkastog oslonca

    E Pa Youngov modul

    F - Funkcija cilja

    F - Interpolirana funkcija cilja

    Fx N Horizontalna sila na rubnoj tocki cvoru cjevovoda

    FT N Sila trenja

    FN N Kontaktna normalna sila

    FG N Sila stezanja napinjaca

    Fpn, Fn N Aksijalna sila na pocetku cijevi

    Fa, Fb, Fc N Horizontalne sile na cijev u koracima regula falsi metode

    Fsy N Sila uzgona plutajuceg stingera

    Fkx N Horizontalna sila na kraju cjevovoda

    Gs N Teina stingera

    Gwi N Teina vode i-tog balastnog spremnika stingera

    g m/s2 Ubrzanje sile tee

    g - Vektor najboljeg poloaja susjednih cestica

    hi m Visina valjkastog oslonca

    I m2 Osni moment tromosti

    imax - Maksimalni broj iteracija regula falsi metode

    vii

  • viii koritene oznake

    Simbol Jedinica Opis

    L+ m Dobivena duljina neuronjenog djela cijevi

    l+ m Postavljena duljina neuronjenog djela cijevi

    lu m Udaljenost centra uzgona stingera od zgloba

    li m Udaljenost i-tog centra balastnog spremnika stingera odzgloba

    lm m Udaljenost centra mase stingera od zgloba

    ls m Ukupna duljina stingera

    lst m Razmak vrha stingera i morskog dna

    lstdop m Minimalni doputeni razmak vrha stingera i morskog dna

    M Nm Moment savijanja cijevi

    Mavg Nm Prosjecni moment savijanja cijevi iznad valjkastih oslonaca

    Modop Nm Maksimalni doputeni moment savijanja u overbendu

    Momax Nm Maksimal