复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法及系统与流程

本发明涉及深海采矿，尤其涉及一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法及系统。

背景技术：

1、在深海采矿作业中，安全、高效地将海底矿物提升至水面采矿船是工程的核心环节。提升缆绳需长期承受深海复杂海洋环境的动态载荷，因此需要对缆绳参数进行科学的选型与设计，以保障深海提升作业的整体安全性与经济性。

2、现有的提升缆绳参数优化方法通常将环境载荷分析与缆绳结构参数优化作为两个独立的环节执行。具体而言，该方法首先计算海洋环境因素作用下的缆绳受力情况，随后在进入结构参数优化环节时，直接依靠工程师的主观工程经验来人为划定各个缆绳结构参数（如弹性模量、直径、股数等）的取值上下限范围，并在该主观经验范围内进行缆绳结构方案的寻优。

3、现有技术依靠主观经验划定缆绳结构参数的取值范围，导致环境因素的实际影响强度与结构设计空间之间相互割裂，使得缆绳结构参数取值范围的设定缺乏明确的物理计算依据，最终导致得出的缆绳参数设计方案无法实现环境载荷与结构参数的耦合寻优，难以满足复杂海况下的安全性与轻量化要求。

技术实现思路

1、本发明提供一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法及系统，用以解决现有技术中的缺陷，实现环境载荷与结构参数的耦合寻优，从而输出满足安全与轻量化要求的最优缆绳设计方案。

2、本发明提供一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法，包括如下步骤：

3、获取缆绳提升系统在多种预设海况参数组合下的缆绳张力数据；

4、根据所述缆绳张力数据，确定使缆绳张力最大的目标海况参数组合、在所述目标海况参数组合下缆绳的极限载荷、以及所述目标海况参数组合中各目标海况参数对缆绳张力影响的极差；

5、根据各所述目标海况参数的极差大小，从所述目标海况参数组合中确定至少一个主导海况参数；

6、对于任一所述主导海况参数，确定与所述主导海况参数相关联的缆绳结构参数，并根据所述主导海况参数的极差比例对所述缆绳结构参数的基准值进行缩放，得到所述缆绳结构参数的目标取值范围；所述极差比例为所述主导海况参数的极差与全部主导海况参数极差之和的比值；

7、从各所述缆绳结构参数中选定目标结构参数作为优化目标，在各所述缆绳结构参数的目标取值范围内，基于所述极限载荷进行结构优化求解，得到满足预设约束条件的最优缆绳参数组合。

8、根据本发明提供的一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法，所述主导海况参数包括波高、流速和风速；

9、所述对于任一所述主导海况参数，确定与所述主导海况参数相关联的缆绳结构参数，包括：

10、将缆绳的等效弹性模量确定为与所述波高相关联的缆绳结构参数；

11、将缆绳的直径确定为与所述流速相关联的缆绳结构参数；

12、将缆绳的股数确定为与所述风速相关联的缆绳结构参数。

13、根据本发明提供的一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法，所述根据所述极差比例对所述缆绳结构参数的基准值进行缩放，得到所述缆绳结构参数的目标取值范围，包括：

14、通过以下公式计算各所述缆绳结构参数的目标取值范围：

15、；

16、；

17、；

18、其中，为缆绳的所述等效弹性模量的下限边界，为缆绳的所述等效弹性模量的上限边界，为所述等效弹性模量的基准值，为所述波高的极差比例；为缆绳的所述直径的下限边界，为缆绳的所述直径的上限边界，为所述直径的基准值，为所述流速的极差比例；为缆绳的所述股数的下限边界，为缆绳的所述股数的上限边界，为所述股数的基准值，为所述风速的极差比例，

round为取整运算符号。

19、根据本发明提供的一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法，确定在所述目标海况参数组合下缆绳的极限载荷，包括：

20、提取所述目标海况参数组合仿真过程中的最大有效张力；

21、将所述最大有效张力与预设的环境安全系数相乘，得到所述极限载荷。

22、根据本发明提供的一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法，所述在各所述缆绳结构参数的目标取值范围内，基于所述极限载荷进行结构优化求解，得到满足预设约束条件的最优缆绳参数组合，包括：

23、在各所述缆绳结构参数的目标取值范围内，生成包含多组结构参数的试验样本集；

24、针对所述试验样本集中的每一组结构参数，建立与所述结构参数对应的缆绳实体模型，将所述缆绳实体模型在所述极限载荷作用下的最大等效应力，作为所述组结构参数对应的样本等效应力；

25、利用各组所述结构参数及对应的样本等效应力，拟合构建以等效应力为因变量、各所述缆绳结构参数为自变量的二次多项式回归模型；

26、基于所述二次多项式回归模型进行数值优化求解，得到满足所述预设约束条件的最优缆绳参数组合。

27、根据本发明提供的一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法，所述基于所述二次多项式回归模型进行数值优化求解，得到满足所述预设约束条件的最优缆绳参数组合，包括：

28、根据所述目标结构参数设定优化目标函数，以所述二次多项式回归模型输出的预测等效应力小于或等于许用应力为约束条件；

29、在所述各所述缆绳结构参数的目标取值范围内求解所述二次多项式回归模型，得到满足所述约束条件且使所述优化目标函数结果最小的自变量组合，将所述自变量组合作为所述最优缆绳参数组合。

30、根据本发明提供的一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法，在得到满足预设约束条件的最优缆绳参数组合之后，还包括：

31、将所述最优缆绳参数组合输入预设的缆绳三维实体有限元模型，施加所述极限载荷进行有限元求解计算，得到有限元复核等效应力；

32、计算所述有限元复核等效应力与所述二次多项式回归模型针对所述最优缆绳参数组合输出的预测等效应力之间的相对误差；

33、当所述相对误差大于预设误差阈值时，将所述最优缆绳参数组合及其对应的有限元复核等效应力作为新增样本点加入至原始样本集中，得到更新样本集；

34、基于所述更新样本集重构参数预测模型，并重新基于所述极限载荷在重构后的参数预测模型中进行结构优化求解，直至重新求解得到的相对误差小于或等于所述预设误差阈值。

35、根据本发明提供的一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法，在所述重新基于所述极限载荷在重构后的参数预测模型中进行结构优化求解的过程中，还包括：

36、监测迭代计算的次数以及连续两次迭代计算输出的所述相对误差的变化率；

37、当所述迭代计算的次数达到预设的最大迭代次数，或者，连续两次迭代计算的相对误差的变化率小于预设变化率阈值且当前的相对误差仍大于所述预设误差阈值时，停止所述迭代计算，并输出最后一次迭代计算得到的最优缆绳参数组合。

38、根据本发明提供的一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法，所述获取缆绳提升系统在多种预设海况参数组合下的缆绳张力数据，包括：

39、提取预设的多个环境因素以及各环境因素对应的多个数值水平；

40、利用正交试验表将所述多个环境因素及其对应的数值水平进行交叉组合，生成所述多种预设海况参数组合；

41、将各所述预设海况参数组合依次输入预先建立的包含采矿船、缆绳及集矿兜的系统动力学仿真模型中进行仿真求解，提取预设仿真周期内缆绳承受的最大有效张力值作为所述缆绳张力数据。

42、本发明还提供一种复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化系统，包括如下模块：

43、数据获取模块，用于获取缆绳提升系统在多种预设海况参数组合下的缆绳张力数据；

44、数据分析模块，用于根据所述缆绳张力数据，确定使缆绳张力最大的目标海况参数组合、在所述目标海况参数组合下缆绳的极限载荷、以及所述目标海况参数组合中各目标海况参数对缆绳张力影响的极差；

45、参数筛选模块，用于根据各所述目标海况参数的极差大小，从所述目标海况参数组合中确定至少一个主导海况参数；

46、数据处理模块，用于对于任一所述主导海况参数，确定与所述主导海况参数相关联的缆绳结构参数，并根据所述主导海况参数的极差比例对所述缆绳结构参数的基准值进行缩放，得到所述缆绳结构参数的目标取值范围；所述极差比例为所述主导海况参数的极差与全部主导海况参数极差之和的比值；

47、优化求解模块，用于从各所述缆绳结构参数中选定目标结构参数作为优化目标，在各所述缆绳结构参数的目标取值范围内，基于所述极限载荷进行结构优化求解，得到满足预设约束条件的最优缆绳参数组合。

48、本发明还提供一种电子设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述程序时实现如上述任一种所述复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法。

49、本发明还提供一种非暂态计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法。

50、本发明还提供一种计算机程序产品，包括计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述任一种所述复杂海况下的矿物提升缆绳参数双层优化方法。

51、综上所述，本技术实施例中提供的一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果或优点：

52、通过获取缆绳提升系统在多种预设海况参数组合下的缆绳张力数据，从而为量化评估不同环境因素对缆绳受力的影响提供基础。通过根据缆绳张力数据，确定使缆绳张力最大的目标海况参数组合、在目标海况参数组合下缆绳的极限载荷、以及目标海况参数组合中各目标海况参数对缆绳张力影响的极差，从而利用前述数据基础锁定极端服役工况，并获得表征各环境因素影响强弱的量化极差数值。通过根据各目标海况参数的极差大小，从目标海况参数组合中确定至少一个主导海况参数，从而根据量化极差数值剔除次要环境因素干扰，聚焦对缆绳受力起决定性作用的核心环境因素。通过对于任一主导海况参数，确定与主导海况参数相关联的缆绳结构参数，并根据主导海况参数的极差比例对缆绳结构参数的基准值进行缩放，得到缆绳结构参数的目标取值范围；极差比例为主导海况参数的极差与全部主导海况参数极差之和的比值，从而将核心环境因素的影响强度直接转化为结构设计空间的限制边界，使后续结构参数取值范围的划定摆脱主观经验依赖并具备明确的物理计算依据。通过从各缆绳结构参数中选定目标结构参数作为优化目标，在各缆绳结构参数的目标取值范围内，基于极限载荷进行结构优化求解，得到满足预设约束条件的最优缆绳参数组合，从而在取值范围内完成环境载荷与结构参数寻优，最终输出满足复杂海况安全性与轻量化要求的缆绳参数设计方案。