臍帶纜作為海洋工程高端裝備之一，在海洋油氣開發(fā)中有著不可替代的作用,。長期以來我國臍帶纜的需求一直依賴國外進口,，價格昂貴且交付周期長，其分析設計與加工技術長期被國外壟斷,。目前,，國際領先的臍帶纜供應商主要集中于歐洲、北美和巴西,，代表性企業(yè)有AKER solution,、DUCO、Nexans等,，上述企業(yè)具備較為完善的設計能力和加工制造裝備,，能夠實現(xiàn)不同應用類別臍帶纜的生產(chǎn)供應；特別是在應用于超深水的高壓強電復合臍帶纜以及先進的碳纖維加強臍帶纜方面占據(jù)著市場的主導地位,。目前我國通過產(chǎn)學研互相結合的研發(fā)模式,，國產(chǎn)海洋臍帶纜研發(fā)已經(jīng)取得了顯著的成果和進步。“十一五”期間開展了水下生產(chǎn)系統(tǒng)臍帶纜結構設計和測試中的基本理論和分析方法研究,，基本掌握了臍帶纜結構分析設計,、生產(chǎn)和測試等關鍵技術，并成功完成了臍帶纜樣纜的試制,；“十二五”期間初步具備了臍帶纜加工制造能力并開展了相應的示范性作業(yè),。“十三五”期間我們突破了常規(guī)臍帶纜的結構設計分析,、加工制造,、安裝和測試認證等系統(tǒng)的關鍵技術。但隨著其油氣田開發(fā)不斷走向超深水,，高性能臍帶纜研發(fā)對我國深水油氣開發(fā)造成了明顯制約,，特別是臍帶纜結構力學行為的精確快速分析問題和高性能優(yōu)化設計問題仍亟待突破。

· 關鍵問題

傳統(tǒng)臍帶纜設計流程將局部截面分析和整體線型分析解耦為獨立兩部分進行分析和設計,，一方面設計繁瑣且效率低下,，另一方面兩獨立部分的設計結果易造成較大偏差。

· 解題思路

基于上述問題,，大連理工大學閻軍教授課題組為提高臍帶纜整體力學性能和設計效率,，將臍帶纜設計階段與校核分析驗證階段相結合,，提出了同時考慮局部截面結構和整體線型之間耦合影響的雙尺度集成設計方法。

本文首先對截面和整體線型關鍵設計變量進行分析,，進而討論臍帶纜局部截面力學性能和整體線型水動力特性,，并提取抗拉性能和柔順性能為設計優(yōu)化目標。引入基于最優(yōu)拉丁超立方試驗抽樣和徑向基函數(shù)（RBF）構建近似分析模型的方法,，建立多目標雙尺度集成優(yōu)化設計方法,，并采用NSGA-II算法進行求解。最后選取典型臍帶纜設計實例,，基于上述方法優(yōu)化設計來驗證雙尺度集成優(yōu)化設計方法的高效性和準確性,。

· 設計變量分析

臍帶纜截面設計變量為：

整體線型設計變量：                            

則總體設計變量表達式為：

臍帶纜截面剛度分析:

在位運行中臍帶纜彎曲行為基本處于全滑動狀態(tài)，基于學者Ramos提出的彎曲理論,，臍帶纜截面彎曲剛度理論公式為：

臍帶纜整體線型動態(tài)分析：

基于臍帶纜極限設計準則（ULS）和疲勞設計準則（FLS）,，以強度極限和疲勞壽命作為臍帶纜動態(tài)分析校核的主要性能指標，選取兩種極端近位和遠位工況進行分析,，可以有效地覆蓋其他工況下整體線型動態(tài)極值分析,。

· 優(yōu)化目標

基于上述兩種極端工況進行整體動態(tài)分析并求解獲得臍帶纜截面的最大張力和最小彎曲半徑。首先,，針對拉伸行為破壞,，選取最大張力響應與截面拉伸剛度比值，即最大截面拉伸應變作為優(yōu)化目標,；其次,，針對彎曲破壞行為，選取最大彎曲曲率響應和截面彎曲剛度的乘積,，即最大截面彎矩作為優(yōu)化目標。

· 實驗設計

兩個優(yōu)化設計目標—截面結構與整體線型之間往往存在相互競爭關系,，即一個目標優(yōu)化效果的改善通常以其它目標的弱化作為代價,，因此優(yōu)化結果很難得到唯一的最優(yōu)解?；谏鲜鰞?yōu)化目標的多目標優(yōu)化問題可描述為：

· RBF神經(jīng)網(wǎng)絡模型

基于上述優(yōu)化目標,，選用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行近似模型構建。

· 優(yōu)化流程

· 問題描述：

假定給定海域水深800m,，上部浮體為FPSO,。臍帶纜內(nèi)核圓柱直徑120mm，臍帶纜單位長度濕重30kg/m,，屈服強度600MPa,，許用張力100t，許用最小彎曲半徑2.0m（即最大許用曲率0.5）,，依經(jīng)驗給定臍帶纜初始設計截面鎧裝厚度為3.5mm,，螺旋纏繞角28°,；整體線性脫離角72°，上懸鏈線長度781m,，浮筒段長度483m,，下懸鏈線長度421m。方程為：

· 優(yōu)化結果

· 不同遺傳算法結果對比分析：

1）通過雙尺寸集成優(yōu)化設計方法極大地提升了計算效率及計算的準確性,，同時兼顧臍帶纜截面抗拉性能和柔順性能兩個目標符合實際工程需要,。

2）通過對比優(yōu)化結果及其數(shù)值模擬結果可發(fā)現(xiàn)，張力和曲率極值對比誤差均小于6.88%,，考慮到波浪海流環(huán)境及浮體位置等變量的隨機性特征,，該誤差范圍充分驗證了應用雙尺度集成優(yōu)化設計所構建近似代理模型的準確性以及優(yōu)化模型的可行性。

3）拉伸應變最小的設計方案（近位工況）往往線型較短,，不利于順應海面浮體的運動,，且臍帶纜截面設計也較為保守，總體為偏剛性設計,；截面彎矩最小的設計方案（遠位工況）通常線型波形態(tài)的較為明顯,，且纜體截面柔性較大，整體線型有時會出現(xiàn)過長的現(xiàn)象,，容易發(fā)生纜體與海床或海面干涉破壞行為,，總體為偏柔性設計。在實際工程中應當避免這兩種極端設計方案,，最優(yōu)設計方案應當為兼顧拉伸應變和彎矩兩個目標權重相當?shù)姆桨?，即采用剛柔并濟的設計。