2016国赛A题国家一等奖论文

1 arctan
4
受到重力 Gi 1 、浮力 Fi 1 、钢管的上端拉力和下端拉力分别为 Ti 和 Ti 1 ， i 1, 2,3, 4 。
图 4 各节钢管所受拉力图
图 5 单节钢管受力示意图
根据第 i 根钢管的长度和直径计算钢管的体积，得到钢管所受的浮力大小为 Fi gvi gsili 其中， vi 为排水体积； li 为钢管的长度， li 1m ，且所有钢管的长度均相同； Di 钢 管的直径，且所有钢管的长度均相同，即 Di 50mm 。且有 Si ( i )2 ，有物理中的力学 得到 i, j 1, 2,3, 4 ，均有 Fi Fj 。 钢管处于平衡状态时有静力平衡方程： Fi 1 Gi 1 Ti sin i Ti 1 sin i 1 Ti 1 cos i 1 Ti cos i 其中， i 为第 i 根钢管上端拉力 Ti 与水平方向的夹角；i 1 为第 i 根钢管下端拉力 Ti 1 与水平方向的夹角。求解上述静力方程，就可得到第 i 根钢管所受的拉力及与水平方向 的夹角 和相应的坐标 xi 1 , yi 1 ， 注意 xi 1 , yi 1 的坐标是由最初的浮标吃水深度逐步迭 代得到的[6] [8] [9]。
图 1 简化的系泊系统示意图
1.1.2
要解决的具体问题
1.问题一
给出某型传输节点选用的一些物件标准，并将该型传输节点布放在水深 18m、海床 平坦、 海水密度为 1.025×103kg/m3 的海域。 假设海水静止， 分别计算海面风速为 12m/s 和 24m/s 时钢桶和各节钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标的吃水深度和游动区域。
§4 模型的假设
1. 假设浮标系统所处的海平面是平稳不波动的； 2. 假设浮标在风力作用下仍保持水平状态，不存在倾斜，即吃水深度保持不变； 3. 假设前两个问题不考虑水流力及其他内外力；
4. 假设不考虑波动情况，即所研究物体为静态力平衡； 5. 假设锚链是重力均匀的，且可以弯曲但无弹力，锚链自重沿悬链线方向为常量；
x0 , y0
T1 Ti i

D l0
§6 模型的建立与求解
5.1 问题一的分析与求解 5.1.1. 模型的分析 问题一要求我们在给定的一些参数下，假设海水静止，分别计算海面风速为 12m/s 和 24m/s 时钢桶、各节钢管、锚链等的一些指标。首先，我们对整个系泊系统建立直角 坐标系，然后对整个系统做受力分析。设计算法流程，先初始化参数 x0 , y0 ，然后计 算每个物体的 Ti ,i 和 xi , yi ，在通过与海水深度比较，不断修正 y0 和相应的 xn ，使整 体达到最优[3]。 5.1.2. 模型的建立与求解 （1）构建整体坐标系 以锚垂直于海平面向上为 y 轴的正方向，以海面风向为 x 轴，建立二维平面直角坐 标系 xoy 。根据假设条件，浮标系统整体如图 2 所示
系泊系统的优化设计 摘要
本文对近浅海系泊系统进行空间建模及优化设计， 使得浮标的吃水深度和游动区域 及钢桶的倾斜角度尽可能小，以提高整个系统的工作效率。在海面风速，水流速度、实 测水深变化的条件下， 分别建模设计了适应不同条件下的系泊系统， 确定了锚链的型号、 长度、重物球的质量。 针对问题一，给定锚链型号、长度以及重物球质量，求解不同风速下的整体系统状 态。由于海水静止，对系泊系统建立二维直角坐标系，对系统中各部分进行受力分析， 由静力平衡得到各部分的张力、 水平夹角以及坐标点的更新公式。 分析浮标纵坐标点 y0 与锚链底端纵坐标 yn 的关系，使用迭代算法或枚举算法，求使 yn 与海水深度距离最小 的 y0 ，同时计算浮标横坐标，最终求得：在 vw 12m / s 时，锚链部分铺底，第一根至 第四根钢管和钢桶与水平方向的夹角弧度数分别为 1.554,1.5537, 1.5536, 1.5535,1.5534， 吃水深度为 0.734 m ，游动面积为 628.343m2 。在 vw 24m / s 时，锚链全部起来，第一 根到第四根钢管和钢桶与水平方向的夹角弧度数分别为 1.5057 ， 1.5053 ， 1.5049 ， 1.5045，1.5042。 h 为 0.748 m ，浮标底端中心坐标 x1 , y1 17.524, 0.748 ,游动面积为 934.78 m 2 。 针对问题二，风速 36m/s 时，钢桶和锚链夹角不满足约束条件，需要调节重物球质 量使其满足条件。首先，分析重物球质量与吃水深度、浮标横坐标、锚链底端水平夹角 以及钢桶竖直夹角的关系， 得到 “使钢桶竖直夹角满足条件的质量最小为 1808” 。 然后， 我们建立多目标规划问题，求解最优重物球质量，使得吃水深度、游动区域及钢桶倾斜 角度尽可能小，采用 IENSGAii 算法求解多目标规划。最终，确定重物球的质量在 1808kg m 6000kg 间，以 c 10 为例，当两个目标均达到最小的那个值才是最优的。 此时的质量，吃水深度，倾角与游动面积的参数和分别为 4188.247kg ， 1.676769 ， 606.4267。 针对问题三，首先，考虑海水流力的影响，并考虑海水流利于风力存在夹角，对系 泊系统建立三维直角坐标系，并进行受力分析，得到各部分的张力、水平夹角、x 轴夹 角以及坐标点的更新公式。然后，构建多目标优化模型，求解最优重物球质量以及锚链 长度，使得吃水深度、游动区域及钢桶倾斜角度尽可能小。最终，将多目标转化为单目 标问题，用 GA 算法进行求解，得到 5 种链型的最优情况。 论文最后对风力、 海水流力和海水深度进行了敏感性分析，讨论了模型的优缺点以 及进行了模型得推广。
§2 问题的总分析
系泊系统的设计是一个带有复杂约束条件的优化与规划问题， 它涉及到给定多个条 件下， 当系泊系统布防在某个确定的海域条件下，只改变风速让你求解整个系统的形态 等指标，还涉及到给定多个海域条件的取值范围，求解最优状态下锚链的型号、长度和 其它物体的一些指标。 处理此问题的难点就是使得锚链末端与锚的链接处的切线方向与 海床的夹角、 钢桶的倾斜角度、 浮标的吃水深度和游动区域都尽可能达到最优的情况下， 系泊系统进行设计。再针对各问题的目标原则来分别建立模型。
T6
F6 G6 G T5 sin 5 T5 cos5
2
2
6 arctan
F5 G5 G6 T5 sin 5 T5 cos 5
§5 符号说明
序号 符号 符号说明 序号 符号 符号说明
1 2 3 4 5 6 7
G1 Gi 1 F1
浮标的重力 第i个钢管的重力 浮标所受的浮力 浮标所受的拉力 第i个钢管的上端拉力 拉力与水平方向的夹角 第一节钢管的坐标
8 9 10 11 12 13 14
h Hs
vs
vw
浮标吃水深度 海水的深度 水流的速度 海面的风速 海水的密度 为浮标的底面直径 锚链的总长度
图 3 浮标受力分析图
由浮标质量得出，得出其所受重力 G1 m1 g ；浮标所受的浮力（当浮标的吃水深度 D 不断变化时排开水体积用积分表示） ： F1 g ( ) 2 h ；由近海风荷载的近似公式可得 2 2 浮标所受的风力： Fw 0.625D(h0 h)vw ；考虑到浮标最终处于静力平衡状态，由静力 学平衡方程有： F1 G1 T1 sin 1
D 2
Ti 1 ( Fi 1 Gi 1 Ti sin i )2 (Ti cos i )2
i 1 arctan
Fi 1 Gi 1 Ti sin i Ti cos i
其中， li 为钢桶的长度， xi , yi 为钢桶上端的坐标， xi 1 , yi 1 为钢桶下端的坐标。 （2.3）钢桶的受力分析 将钢桶与重物球看成一个整体，分析平衡状态下钢桶整体受到的力，包括重力 G6 、 浮力 F5 、重物球的重力 G 、钢桶上端与下端受到的拉力分别为 T5 和 T6 ，这里忽略重物 球的浮力。钢桶的受力分析如图 6 所示。
( F6 G6 G ) T5 sin 5 T6 sin 6 T5 cos 5 T6 cos6 其中 5 为钢桶上端拉力 T5 与水平方向的夹角，且 5 与 T5 通过前面钢管的计算可以 得到。 因此， 求解上述静力平衡方程得到钢桶的下端受到的拉力 T6 及它与水平方向的夹 角6 。
Fw T1 cos 1
求解上述静力方程，得到第一根钢管对浮标的拉力 T1 以及与水平面的夹角 1 ：
T1 ( F G)2 ( Fw )2
F1 G Fw 上述结果中浮标所受的浮力和风力是未知，但均与吃水深度有关，给定一个吃水深 度 h ，就会求得一个 1 ，由力学平衡条件得到 T1 ，继而可以计算下面各部分的参数。因 此本文稍后会从初始的吃水深度出发，再进行迭代计算。 （2.2）钢管受力分析 钢管的受力整体情况如图 4 所示，第 i 根钢管的受力分析如图 5 所示。第 i 根钢管
2
按照上面的思路要提出目标函数，要建立各个约束条件，要找到每个部分的受力情 况。因而对约束条件做出分析都是解决问题的关键。
§3 名词解释
1.静力平衡：在静力荷载作用下结构相对于周围的物体处于静止状态，称为该结构 处于静力平衡状态。 2.法平面：是指过空间曲线中的切点，且与法线垂直的平面，称为法平面。 3.无档链环：用无撑挡的椭圆形锚链环连接而成的锚链。 4.系泊系统：系泊系统由系泊缆索连接各海洋仪器部件、重力锚等组成，在海洋工 程领域，单点系泊储油装置和卸油装置的应用最广泛系
2.问题二
在问题 1 的假设下， 当海面风速为 36m/s 时重新计算各指标， 并调节重物球的质量， 使得钢桶的倾斜角度与锚链在锚点与海床的夹角不超过给定上限。
3.问题三ຫໍສະໝຸດ 考虑潮汐等因素的影响， 假如现在的布放海域的实测水深介于 16m~20m 之间。布放 点的海水速度最大可达到 1.5m/s、风速最大可达到 36m/s。请给出考虑风力、水流力和 水深情况下的系泊系统设计，分析不同情况下钢桶、钢管的倾斜角度、锚链形状、浮标 的吃水深度和游动区域。