OPTIMUM DESIGN OF COMPOSITE RISERS USING A GENETIC ALGORITHM
- 1. Universidade Federal do Ceará
Description
Most of recent oil and gas discoveries in Brazil occurred in deepwater fields.Fiber reinforced composite materials present interesting characteristics for offshore applications, such as high specific strength and stiffness, high corrosion resistance, good thermal insulation, high structural damping properties, and fatigue resistance.This work deals with the optimum design of laminated composite risers using a genetic algorithm.The design of laminated composite risers is very difficult since the strength and stiffness of these components depend on the number of layers and the material, thickness, and orientation of each layer.Thus, the use of the conventional trial-and-error strategy is not adequate and it is necessary to apply optimization techniques.In this work the design variables are the number of layers and the thickness and orientation of each layer.A multi-objective formulation is adopted to minimize the weight and maximize the buckling safety factor of the composite riser.The optimization model includes strength and stability constraints and considers multiple load cases.The global analysis of the riser is carried out using the catenary equations and the stress computation in the critical locations is performed using the Classical Lamination Theory (CLT) and the theory of thin-walled tubes.The Tsai-Wu failure criteria is used to compute the safety factor.It is important to note that, due to manufacture constraints, the design variables can only assume discrete values.Therefore, a genetic algorithm is used for optimization since it can easily handle discrete variables.In addition to classical genetic operators, as crossover and mutation, this algorithm also includes operators specially designed to handle laminate structures, such as layer swap and layer deletion.The proposed formulation is applied in the design optimization of composite catenary risers with different water depths and top angles.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
حدثت معظم اكتشافات النفط والغاز الأخيرة في البرازيل في حقول المياه العميقة. تقدم المواد المركبة المقواة بالألياف خصائص مثيرة للاهتمام للتطبيقات البحرية، مثل القوة والصلابة النوعية العالية، والمقاومة العالية للتآكل، والعزل الحراري الجيد، وخصائص التخميد الهيكلية العالية، ومقاومة التعب. يتعامل هذا العمل مع التصميم الأمثل للرافعات المركبة المغلفة باستخدام خوارزمية وراثية. تصميم الرافعات المركبة المغلفة صعب للغاية لأن قوة وصلابة هذه المكونات تعتمد على عدد الطبقات والمواد والسماكة، وتوجيه كل طبقة. وبالتالي، فإن استخدام استراتيجية التجربة والخطأ التقليدية غير كافٍ ومن الضروري تطبيق تقنيات التحسين. في هذا العمل، تكون متغيرات التصميم هي عدد الطبقات وسمك واتجاه كل طبقة. يتم اعتماد صياغة متعددة الأهداف لتقليل الوزن وتعظيم عامل أمان الانبعاج للناهض المركب. يتضمن نموذج التحسين قيود القوة والاستقرار وينظر في حالات الحمل المتعددة. يتم إجراء التحليل العالمي للناهض باستخدام معادلات السلسلة وحساب الإجهاد في يتم تنفيذ المواقع الحرجة باستخدام نظرية التصفيح الكلاسيكية (CLT) ونظرية الأنابيب ذات الجدران الرقيقة. يتم استخدام معايير فشل تساي وو لحساب عامل الأمان. من المهم ملاحظة أنه نظرًا لقيود التصنيع، لا يمكن لمتغيرات التصميم إلا أن تفترض قيمًا منفصلة. لذلك، يتم استخدام خوارزمية جينية للتحسين لأنها يمكنها التعامل بسهولة مع المتغيرات المنفصلة. بالإضافة إلى المشغلين الجينيين الكلاسيكيين، مثل التقاطع والطفرة، تتضمن هذه الخوارزمية أيضًا المشغلين المصممين خصيصًا للتعامل مع الهياكل الصفائحية، مثل تبديل الطبقات وحذف الطبقات. يتم تطبيق الصيغة المقترحة في تحسين تصميم الناهضون السلسليين المركبين بأعماق مائية مختلفة وزوايا علوية.Translated Description (French)
La plupart des découvertes récentes de pétrole et de gaz au Brésil ont eu lieu dans des champs en eau profonde. Les matériaux composites renforcés de fibres présentent des caractéristiques intéressantes pour les applications offshore, telles qu'une résistance spécifique et une rigidité élevées, une résistance élevée à la corrosion, une bonne isolation thermique, des propriétés d'amortissement structurel élevées et une résistance à la fatigue. Ce travail traite de la conception optimale des risers composites stratifiés à l'aide d'un algorithme génétique. La conception des risers composites stratifiés est très difficile car la résistance et la rigidité de ces composants dépendent du nombre de couches et du matériau, de l'épaisseur, et l'orientation de chaque couche. Ainsi, l'utilisation de la stratégie conventionnelle d'essais et d'erreurs n'est pas adéquate et il est nécessaire d'appliquer des techniques d'optimisation. Dans ce travail, les variables de conception sont le nombre de couches et l'épaisseur et l'orientation de chaque couche. Une formulation multi-objectifs est adoptée pour minimiser le poids et maximiser le facteur de sécurité de flambement de la colonne montante composite. Le modèle d'optimisation comprend les contraintes de résistance et de stabilité et prend en compte plusieurs cas de charge. L'analyse globale de la colonne montante est effectuée à l'aide des équations caténaires et du calcul des contraintes dans le les emplacements critiques sont effectués à l'aide de la théorie classique de la stratification (CLT) et de la théorie des tubes à paroi mince. Les critères de défaillance de Tsai-Wu sont utilisés pour calculer le facteur de sécurité. Il est important de noter qu'en raison des contraintes de fabrication, les variables de conception ne peuvent prendre que des valeurs discrètes. Par conséquent, un algorithme génétique est utilisé pour l'optimisation car il peut facilement gérer des variables discrètes. En plus des opérateurs génétiques classiques, comme le croisement et la mutation, cet algorithme comprend également des opérateurs spécialement conçus pour gérer les structures stratifiées, telles que l'échange de couches et la suppression de couches. La formulation proposée est appliquée dans l'optimisation de la conception de colonnes caténaires composites avec différentes profondeurs d'eau et angles supérieurs.Translated Description (Spanish)
La mayoría de los descubrimientos recientes de petróleo y gas en Brasil ocurrieron en campos de aguas profundas. Los materiales compuestos reforzados con fibra presentan características interesantes para aplicaciones en alta mar, como alta resistencia específica y rigidez, alta resistencia a la corrosión, buen aislamiento térmico, altas propiedades de amortiguación estructural y resistencia a la fatiga. Este trabajo se ocupa del diseño óptimo de elevadores compuestos laminados utilizando un algoritmo genético. El diseño de elevadores compuestos laminados es muy difícil, ya que la resistencia y la rigidez de estos componentes dependen del número de capas y del material, el grosor, y orientación de cada capa. Por lo tanto, el uso de la estrategia convencional de prueba y error no es adecuado y es necesario aplicar técnicas de optimización. En este trabajo, las variables de diseño son el número de capas y el grosor y la orientación de cada capa. Se adopta una formulación multiobjetivo para minimizar el peso y maximizar el factor de seguridad de pandeo del riser compuesto. El modelo de optimización incluye restricciones de resistencia y estabilidad y considera múltiples casos de carga. El análisis global del riser se realiza utilizando las ecuaciones de catenaria y el cálculo de tensión en el las ubicaciones críticas se realizan utilizando la Teoría de Laminación Clásica (CLT) y la teoría de tubos de pared delgada. Los criterios de falla de Tsai-Wu se utilizan para calcular el factor de seguridad. Es importante tener en cuenta que, debido a las restricciones de fabricación, las variables de diseño solo pueden asumir valores discretos. Por lo tanto, se utiliza un algoritmo genético para la optimización, ya que puede manejar fácilmente variables discretas. Además de los operadores genéticos clásicos, como el cruce y la mutación, este algoritmo también incluye operadores especialmente diseñados para manejar estructuras laminadas, como el intercambio de capas y la eliminación de capas. La formulación propuesta se aplica en la optimización del diseño de elevadores catenarios compuestos con diferentes profundidades de agua y ángulos superiores.Files
18916.pdf.pdf
Files
(488.0 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:558d431f831452ce95e92ec02c3d439d
|
488.0 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- التصميم الأمثل للرافعات المركبة باستخدام خوارزمية وراثية
- Translated title (French)
- CONCEPTION OPTIMALE DES COLONNES MONTANTES COMPOSITES À L'AIDE D'UN ALGORITHME GÉNÉTIQUE
- Translated title (Spanish)
- DISEÑO ÓPTIMO DE RISERS COMPUESTOS MEDIANTE ALGORITMO GENÉTICO
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2321557579
- DOI
- 10.5151/meceng-wccm2012-18916
References
- https://openalex.org/W1998807083