局部系泊失效下半潜式平台韧性定量评估方法

1.本技术涉及海洋工程结构物韧性评估技术领域，尤其涉及一种基于局部系泊失效下的半潜式平台韧性定量评估方法。


背景技术：

2.近年来，防灾减灾在国家重大工程中受到高度重视，工程系统与结构的安全评估也愈发重要。韧性指结构在遭受外部侵扰时维持、恢复和优化系统安全状态的能力。相比传统防灾减灾，韧性更加关注系统抵抗、吸收、适应自然灾害等破坏性事件并在遭受破坏后快速恢复的能力，因此对海洋工程结构物进行韧性评估具有重大意义。
3.半潜式平台作为开发海洋重要装备之一，其长期作业时系泊系统可能会遭受外部极端灾害或腐蚀疲劳老化等导致系泊缆断裂，从而可能对平台结构系统产生破坏，且可能威胁到人员生命安全和设备财产安全
4.现阶段国内外学者在工程结构领域的韧性评估研究较多，主要集中在地震、城乡社区、医疗和电力系统等基础设施以及互相关联的系统网络结构等方面，而在海洋工程领域对海工结构物的安全评估几乎尚未涉及韧性的有关研究，且现有韧性体系与指标不适用于海上平台的韧性评估。


技术实现要素：

5.本技术实施例提供一种基于局部系泊失效下的半潜式平台韧性定量评估方法，有利于进一步优化大型海洋结构系统的设计和安全运行。技术方案如下：
6.一种基于局部系泊失效下的半潜式平台韧性定量评估方法，包括：
7.(1)基于半潜式平台吸收破坏、适应破坏及在破坏后恢复三个阶段的响应过程，构建半潜式平台局部系泊失效前后至恢复全过程的性能水平曲线，将半潜式平台韧性量化为吸收韧性、适应韧性、恢复韧性三部分；
8.其中，吸收韧性指半潜式平台吸收破坏并降低对自身影响的能力，以半潜式平台运动的瞬态响应来衡量；适应韧性指半潜式平台遭受破坏后适应破坏及其影响以使破坏后的稳态靠近原始稳态的能力，以半潜式平台运动的稳态响应来衡量；恢复韧性指半潜式平台从破坏中快速恢复并保持正常作业的能力，以半潜式平台恢复至正常的恢复时间及成本来衡量；
9.(2)统计半潜式平台局部系泊失效前后结构响应数据及恢复操作所需数据，并对初始数据进行处理，得到计算数据值；
10.其中，所需数据包括不同工况下半潜式平台局部系泊失效前后的水平位移、角位移、系泊缆张力大小、恢复时间和恢复成本；
11.获取各类数据的计算数据值的方法为：选定各个不同工况最危险状态即：对所选定工况下的所有初始数据取响应最大值，且取绝对值；
12.(3)对半潜式平台进行安全检验，方法为：统计各局部系泊失效工况下剩余系泊缆
的张力值并计算安全系数，设定安全系数阈值，若安全系数大于所设定的安全系数阈值，则认为半潜式平台处于安全状态；否则会引起连续失效，此时判定半潜式平台处于失效状态，其中，所述安全系数为系缆断裂强度与所受最大张力之比；
13.(4)以半潜式平台韧性为总指标，吸收韧性、适应韧性和恢复韧性为一级指标，在三种韧性下分别进行二级韧性指标构建，得到半潜式平台韧性评估三层指标体系，方法如下：
14.1)吸收韧性下的二级指标为半潜式平台的瞬态角位移r
θ,ts
，所述的瞬态角位移r
θ,ts
包括瞬态横摇、纵摇和艏摇角位移三种数据；瞬态角位移r
θ,ts
定义为半潜式平台原始稳态摇动角度最大值与局部系泊失效后瞬态摇动角度最大值的比值：
[0015][0016]
其中，θ
os
为原始稳态摇动角度最大值；θ
ts
为半潜式平台局部系泊失效后瞬态摇动角度最大值；
[0017]
2)适应韧性下的二级指标为半潜式平台的稳态水平位移、稳态角位移和稳态张力响应三类指标，所述的稳态水平位移包括横荡和纵荡两种数据，所述的稳态角位移包括横摇、纵摇和艏摇三种数据；对于稳态水平位移韧性测度指标和稳态角位移韧性测度指标r
θ,ss
，定义为原始稳态响应值与新的稳态响应值相比原始稳态响应值的增量的比值：
[0018][0019]
其中，和θ
os
分别为原始稳定状态水平位移和角位移的响应最大值；和θ
ds
分别为局部系泊失效后新的稳态下水平位移和角位移的响应最大值；
[0020]
对于稳态张力韧性测度指标，用平均变化量表示，定义为新的稳态下系泊缆张力相比原始稳态下系泊缆张力的增量与原始稳态张力的比值的均值：
[0021][0022]
其中，t
k,ds
为新的稳态下关注的第k组系泊缆张力的最大值；t
k,os
为原始稳态下关注的第k组系泊缆张力的最大值；n为系泊缆的组数；
[0023]
3)恢复韧性中的恢复操作为更换系泊缆，即恢复韧性以恢复时间与恢复成本来衡量；
[0024]
恢复韧性下的二级指标选取为半潜式平台的相对换缆时间r
t
与相对换缆成本rc；对于相对换缆时间r
t
，定义为半潜式平台遭受破坏时刻到恢复过程开始时刻的时长与半潜式平台恢复阶段的时长之比：
[0025][0026]
其中，t0为半潜式平台遭受破坏时刻；t2为恢复开始时刻；t3为恢复完成时刻；tr＝t
3-t2，为恢复阶段所用时长；
[0027]
对于相对换缆成本rc，定义为恢复阶段成本的1/4次方和失效系泊缆数量之差与
其自身之比：
[0028][0029]
其中，cr指恢复阶段成本也即更换系泊缆的成本；nf指失效系泊缆的数量；
[0030]
定义半潜式平台损伤系数，用以估计不同失效工况下半潜式平台偏离正常作业状态的程度；根据工程经验确定理想情况下单根缆断裂时的基准恢复时间t及基准恢复成本c，也即理想情况下的最快换缆时间及所需最小成本，则实际单根缆断裂时的恢复时间与恢复成本即：
[0031]
tr＝(1+μi)t，cr＝(1+μi)c
[0032]
其中，μi为失效工况i下的半潜式平台损伤系数，表示新的稳态与原始稳态的偏差程度，定义为1减去两种稳态下计算数据值比值的均值；
[0033]
(5)采用critic法对指标进行赋权，将各指标值及其所占权重进行加权计算，得到三种韧性权重值及半潜式平台韧性值。
[0034]
本发明至少具有如下有益效果：
[0035]
1)构建了平台局部系泊失效前后至恢复全过程的性能水平曲线，将平台韧性量化为吸收韧性、适应韧性、恢复韧性三部分；
[0036]
2)提出了适用于海上浮式平台的韧性评估方法，通过构建半潜式平台韧性评估三层指标体系，可为其他海洋工程结构物韧性评估提供参考；
[0037]
3)从结构整体角度对半潜式平台进行韧性评估，针对韧性较小工况可以提前做好预防及恢复措施，有利于进一步优化大型海洋结构的设计和安全运行。
附图说明
[0038]
为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0039]
图1为本技术实施例提供了一种基于局部系泊失效下的半潜式平台韧性定量评估方法的流程示意图；
[0040]
图2为本技术实施例提供了一种半潜式平台性能水平曲线示意图；
[0041]
图3为本技术实施例提供的一种半潜式平台韧性评估指标框架示意图；
[0042]
图4为本技术实施例提供了一种系泊系统平面布置及系缆编号与失效组合示意图；
[0043]
图5为本技术实施例提供了一种半潜式平台韧性评估指标体系及指标权重示意图。
具体实施方式
[0044]
下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
[0045]
本技术的说明书和权利要求书的术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤的过程或方法没有限定于已列出的步骤，而是可选地还包括没有列出的步骤，或可选地还包括对于这些过程或方法固有的其他步骤。
[0046]
在本技术中提及“实施例”意味着，结合实施例描述的特定特征、结构或特性可以包含在本技术的至少一个实施例中。在说明书中的各个位置出现该短语并不一定均是指相同的实施例，也不是与其它实施例互斥的独立的或备选的实施例。本领域技术人员显式地和隐式地理解的是，本技术所描述的实施例可以与其它实施例相结合。
[0047]
请参阅图1，图1为本技术实施例提供了一种基于局部系泊失效下的半潜式平台韧性定量评估方法的流程示意图。如图1所示，局部系泊失效下半潜式平台韧性定量评估方法包括：
[0048]
(1)基于平台吸收破坏、适应破坏及在破坏后恢复三个阶段的响应过程，构建平台局部系泊失效前后至恢复全过程的性能水平曲线，将平台韧性量化为吸收韧性、适应韧性、恢复韧性三部分；
[0049]
定义半潜式平台韧性：系遭受内外部破坏致局部系泊失效后半潜式平台吸收、适应破坏并快速恢复至正常系泊水平并保持正常系泊作业的能力。
[0050]
基于平台吸收破坏、适应破坏及在破坏后恢复三个阶段的响应过程，构建平台局部系泊失效前后至恢复全过程的性能水平曲线。
[0051]
如图2所示，假设平台正常作业时性能水平为100％，将平台响应过程划分为三个阶段。
[0052]
1)t0～t1过程为吸收阶段，反映平台对破坏的吸收能力。平台在t0时刻遭受系泊失效破坏致功能急剧下降，t1时刻瞬态响应达到最大值，则瞬态响应的大小便直接反映平台对破坏的吸收多少；
[0053]
2)t1～t2过程为适应阶段，反映平台对破坏的适应能力。t1时刻之后，平台逐渐适应破坏，直至到达新的稳定状态，两种稳态的偏差程度反映平台适应能力大小；
[0054]
3)t2～t3为恢复阶段，反映平台从破坏中恢复的能力。t1时刻恢复开始，至t2时刻恢复完成，恢复过程所用资源、时间、成本的多少反映平台恢复能力的大小；
[0055]
由此将平台韧性量化为吸收韧性、适应韧性、恢复韧性三部分。
[0056]
吸收韧性指半潜式平台吸收破坏并降低对自身影响的能力，以平台运动的瞬态响应来衡量；适应韧性指半潜式平台遭受破坏后适应破坏及其影响以使破坏后的稳态靠近原始稳态的能力，以平台运动的稳态响应来衡量；恢复韧性指半潜式平台从破坏中快速恢复并保持正常作业的能力，以平台恢复至正常的恢复时间及成本来衡量。
[0057]
(2)统计平台局部系泊失效前后结构响应数据及恢复操作所需数据，并对初始数据进行处理，得到计算数据值；
[0058]
其中，所需初始数据包括不同工况下半潜式平台局部系泊失效前后的水平位移、角位移、系泊缆张力大小、恢复时间、恢复成本；
[0059]
获取各类数据的计算数据值的方法为：选定各个不同工况最危险状态即：对所选定工况下的所有初始数据取响应最大值，且取绝对值；
[0060]
(3)对平台进行安全检验，方法为：统计各局部系泊失效工况下剩余系泊缆的张力值并计算安全系数，若最小安全系数大于1.25，则认为平台处于安全状态；否则会引起连续失效，此时判定平台处于失效状态，其中，所述安全系数为系缆断裂强度与所受最大张力之比；
[0061]
(4)以平台韧性为总指标，吸收韧性、适应韧性和恢复韧性为一级指标，在三种韧性下分别进行二级韧性指标构建，得到半潜式平台韧性评估三层指标体系，如图3所示，所有指标值均为无量纲值，方法如下：
[0062]
1)吸收韧性下的二级指标为平台的瞬态角位移r
θ,ts
，所述的瞬态角位移r
θ,ts
包括瞬态横摇、纵摇和艏摇角位移三种数据；瞬态角位移r
θ,ts
定义为平台原始稳态摇动角度最大值与局部系泊失效后瞬态摇动角度最大值的比值：
[0063][0064]
其中，θ
os
为原始稳态摇动角度最大值；θ
ts
为平台局部系泊失效后瞬态摇动角度最大值；
[0065]
2)适应韧性下的二级指标为平台的稳态水平位移、稳态角位移和稳态张力响应三类指标，所述的稳态水平位移包括横荡和纵荡两种数据，所述的稳态角位移包括横摇、纵摇和艏摇三种数据；对于稳态水平位移韧性测度指标和稳态角位移韧性测度指标r
θ,ss
，定义为原始稳态响应值与新的稳态响应值相比原始稳态响应值的增量的比值：
[0066][0067]
其中，和θ
os
分别为原始稳定状态水平位移和角位移的响应最大值；和θ
ds
分别为局部系泊失效后新的稳态下水平位移和角位移的响应最大值。
[0068]
对于稳态张力韧性测度指标，用平均变化量表示，定义为新的稳态下系泊缆张力相比原始稳态下系泊缆张力的增量与原始稳态张力的比值的均值：
[0069][0070]
其中，t
k,ds
为新的稳态下关注的第k组系泊缆张力的最大值；t
k,os
为原始稳态下关注的第k组系泊缆张力的最大值；n为系泊缆的组数。
[0071]
3)恢复韧性中的恢复操作为更换系泊缆，即恢复韧性以恢复时间与恢复成本来衡量。
[0072]
恢复韧性下的二级指标选取为平台的相对换缆时间r
t
与相对换缆成本rc。对于相对换缆时间r
t
，定义为平台遭受破坏时刻到恢复过程开始时刻的时长与平台恢复阶段的时长之比：
[0073][0074]
其中，t0为平台遭受破坏时刻；t2为恢复开始时刻；t3为恢复完成时刻；tr＝t
3-t2，为恢复阶段所用时长。
[0075]
对于相对换缆成本rc，定义为恢复阶段成本的1/4次方和失效系泊缆数量之差与其自身之比：
[0076][0077]
其中，cr指恢复阶段成本也即更换系泊缆的成本；nf指失效系泊缆的数量。
[0078]
定义平台损伤系数μ，用以估计不同失效工况下平台偏离正常作业状态的程度。
[0079]
根据工程经验确定理想情况下单根缆断裂时的基准恢复时间t＝12小时及基准恢复成本c＝75.6万元，也即理想情况下的最快换缆时间及所需最小成本，则实际单根缆断裂时的恢复时间与恢复成本即：
[0080]
tr＝(1+μi)t，cr＝(1+μi)c
[0081]
其中，t＝12；c＝75.6；μi为失效工况i下的平台损伤系数，表示新的稳态与原始稳态的偏差程度，定义为1减去两种稳态下计算数据值比值的均值：
[0082][0083]
其中，x
ij,os
为原始稳态下的计算数据值；x
ij,ds
为新的稳态下的计算数据值。
[0084]
(5)采用critic(criteria importance though intercrieria correlation)法对指标进行赋权，将各指标值及其所占权重进行加权计算，得到三种韧性权重值及平台韧性值。
[0085]
critic法赋权过程如下：
[0086]
假设有m个计算工况，n个评价指标，形成原始指标数据矩阵：
[0087][0088]
其中，y
ij
(i＝1,2,...m,j＝1,2...n)表示第i个工况中第j个评价指标值。
[0089]
1)无量纲化处理
[0090]
对于正向指标：
[0091][0092]
对于逆向指标：
[0093][0094]
2)计算指标变异性
[0095]
[0096]
其中，sj分别为第j个指标的均值和标准差。
[0097]
3)计算指标冲突性
[0098][0099]
其中，r
ij
表示评价指标之间的相关系数。
[0100]
4)计算指标信息量
[0101]cj
＝sj×rj
[0102]
5)计算权重，第j个指标的客观权重为
[0103][0104]
三种一级韧性指标值y
ij(ι)
计算公式为：
[0105][0106]
式中，y
ij(ιι)
为第i种工况下第j个二级指标的值，包括r
θ,ts
、r
θ,ss
、r
t
、r
t
和rc；为各个二级指标的权重。
[0107]
同理可得平台韧性值
[0108][0109]
式中，为一级韧性指标的权重。
[0110]
由计算所得韧性值大小即可对不同系泊失效工况下的半潜式平台进行韧性评估，韧性值越大意味着平台面对破坏时能更好的吸收、适应破坏，也能从破坏中更快恢复。同时，针对韧性较小工况，需要提前做好预防及恢复措施。
[0111]
本示例中，构建了平台局部系泊失效前后至恢复全过程的性能水平曲线，将平台韧性量化为吸收韧性、适应韧性、恢复韧性三部分；统计平台局部系泊失效前后结构响应数据及恢复操作所需数据，并对初始数据进行处理，得到计算数据值；然后对平台进行安全检验；以平台韧性为总指标，在三种韧性下分别进行二级韧性指标构建，得到半潜式平台韧性评估三层指标体系；采用critic法对指标进行赋权，将各指标值及其所占权重进行加权计算，得到三种韧性权重值及半潜式平台韧性值。从结构整体角度对半潜式平台韧性进行评估，针对韧性较小工况可以提前做好预防及恢复措施，有利于进一步优化大型海洋结构的设计和安全运行。
[0112]
在一个可能的实施例中，本技术实施例还提供了一种具体的基于局部系泊失效下的半潜式平台韧性定量评估方法，具体如下：
[0113]
系泊系统共设12根缆，分为四组，分别对称布置在四个立柱的外侧。单根缆采用锚链-聚酯缆-锚链三段组合形式，波浪采用波高16m，周期12s，0
°
方向入射的规则波，系泊系统平面图及系缆编号、组号如附图4所示。
[0114]
由于系泊对称，易知迎浪方向2、3两组缆张力大于背浪方向1、4两组缆张力，经计
算分析知一根系泊缆断裂时对平台影响较小，故后续只研究两根系泊缆断裂的情况。
[0115]
分析知系泊系统完整时迎浪方向m6、m7张力最大，最有可能发生失效。故本文研究四种失效工况，分别为m3&m6、m3&m7、m5&m6及m6&m7，不同失效组合及说明如图4及表1所示：
[0116]
表1系泊缆失效组合说明
[0117][0118]
完整系泊下，波浪0
°
方向入射时平台六自由度响应中纵荡和纵摇较大，其他自由度响应很小。由于存在系泊缆非对称失效情况，会引起平台出现较大的横荡、横摇及艏摇，故该处在韧性指标计算时也将横荡、横摇及艏摇考虑在内。
[0119]
统计上述四种工况下平台失效前后结构响应数据，包括瞬态响应及稳态响应。对于张力响应，统计失效前后各组缆中张力最大缆的张力值。四种失效工况下平台瞬态响应、稳态响应及张力响应最大值如表3及表4所示。
[0120]
表3不同失效工况下平台角位移瞬态响应最大值
[0121][0122][0123]
表4不同失效工况下平台运动响应及系缆张力最大值
[0124][0125]
对平台进行安全检验，即检验四种失效工况下剩余系泊缆的安全系数，经计算得四种工况下安全系数均远大于1.25，即认为平台均处于安全状态。
[0126]
局部系泊失效前后平台垂荡响应几乎不变，不将其作为韧性测度。
[0127]
假定平台在离岸150公里处作业，从系泊缆断裂时刻t0开始，一艘作业工程船及三艘拖船离岸出发，平均航速12节，则到达平台处所需时间为6.75小时，即t
2-t0＝6.75小时。
[0128]
恢复操作设为更换系泊缆，通过计算得到m3&m6、m3&m7、m5&m6及m6&m7四种失效工
况下的平台损伤系数分别为0.582、0.576、0.768、0.431；
[0129]
由工程经验确定单根缆断裂时的基准恢复时间t＝12小时及基准恢复成本c＝75.6万元，则可得到实际两根缆断裂时的恢复时间与恢复成本如表5所示。
[0130]
表5不同失效工况下平台恢复时间与恢复成本
[0131][0132]
将表3表4表5各计算数据值代入构建的指标计算公式中，即可得到三种韧性的二级指标值y
ij(ιι)
，如表6所示。再由critic法分别在三种工况下进行二级和一级指标计算及赋权，可得到各指标所占权重，如图5所示。
[0133]
表6不同失效工况下的二级韧性指标值
[0134][0135][0136]
由不同工况下的一级韧性指标值及其所占权重进行加权运算即可得到不同工况下的平台韧性值，如表7所示。
[0137]
表7不同失效工况下平台韧性值
[0138][0139]
可知三种工况下m6&m7失效时平台韧性最大，m3&m7失效时平台韧性其次，再次是m3&m6失效，m5&m6失效时平台韧性最小。可知相较于系泊缆在平台单侧失效情况，系泊缆关于平台对称失效时平台的韧性较大。m5&m6失效时平台韧性最小，此时平台各自由度均出现了较大响应，平台吸收及适应能力均较低，也较难恢复，因此工程实际中要尽量避免m5&m6失效情况，以防发生连续失效。
[0140]
以上对本技术实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本技术的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本技术的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本技术的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本技术的限制。