海上风电工程支承结构可靠度研究

论文摘要

近几年,我国开始大力发展海上风电工程。支承结构是海上风电工程中的重要组成部分。单立柱结构是海上风电工程中最常用的结构之一,但是在我国还没有得到具体应用。本文对单立柱支承结构在我国使用的可行性做了初步的探讨,计算分析了此结构的可靠指标,希望能为今后的研究提供一些有价值的信息。针对极值风浪荷载之间的相关性,提出了一种基于Nataf变换的相关非高斯分布随机数算法,并通过数值模拟和实际风浪组合荷载效应的计算,验证了方法的有效性。讨论了基于独立风浪的荷载效应和基于相关风浪的荷载效应的极值之间的关系。对不同的风浪组合荷载效应的拟合方法进行评定,证明了最小二乘法比矩法更精确。应用Archimedean Copula函数构造风浪联合概率分布,并对函数进行检验,认为Gumbel函数最适合描述涠洲岛风浪特性,并得出了χ2检验优于其他检验方法的结论。对经常在工程中应用的重现期和基于Archimedean Copula函数C-测度（C-measure）的第二重现期（Secondary Return Period）进行了理论分析,经实际数据证明,第二重现期定义严格,计算结果更接近荷载效应重现期。针对于海上风电工程单立柱支承结构的特点,对体系可靠度计算方法进行了探讨,分析了几种常用方法的优缺点。结合有限元分析软件ANSYS与科学计算软件MATLAB,采用响应面方法构造极限状态函数,将改进一次可靠度方法应用到求解可靠指标中,建立了以响应面方法为核心的一套完整可行的体系可靠度计算方法。基于平稳二项随机过程,建立地震、风、浪、海流的分布函数,参考挪威船级社规范,结合JCSS荷载组合方法,考虑不同的极限状态函数,计算了海上风电工程单立柱支承结构的可靠指标与失效概率。分析随机变量的灵敏度,对结构可靠度有重要影响的随机变量进行了探讨。研究了风浪相关性对结构可靠度的影响,并分析了原因。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题背景及研究的意义
• 1.2 海上风电工程结构设计理论发展状况
• 1.3 海上风电结构可靠度理论
• 1.3.1 结构可靠度理论
• 1.3.2 海上风电结构可靠度理论
• 1.4 本文主要研究内容
• 第2章 风浪组合荷载效应
• 2.1 引言
• 2.2 基于平稳二项随机过程的极值荷载概率分布
• 2.2.1 平稳二项随机过程
• 2.2.2 极值荷载概率分布
• 2.3 相关非高斯分布随机数算法
• 2.3.1 Nataf 变换随机数算法
• 2.3.2 风浪荷载模型与概率分布
• 2.3.3 荷载效应拟合方法
• 2.3.4 Nataf 随机数算法数值模拟验证
• 2.3.5 Nataf 随机数算法实际风浪资料验证
• 2.4 极值荷载效应之间的关系
• 2.5 风浪组合荷载效应拟合方法评定
• 2.5.1 拟合方法数值模拟
• 2.5.2 拟合方法实际风浪资料验证
• 2.6 本章小结
• 第3章 Copula 函数联合概率分布与第二重现期
• 3.1 引言
• 3.2 Archimedean Copula 函数
• 3.2.1 二元Copula 函数
• 3.2.2 Archimedean Copula 函数定义
• 3.2.3 Kendall 秩相关系数
• 3.2.4 二元Archimedean Copula 函数
• 3.3 Archimedean Copula 函数应用
• 3.3.1 Archimedean Copula 拟合风浪联合分布
• 3.3.2 Archimedean Copula 函数检验
• 3.4 一般重现期与第二重现期
• 3.4.1 一般重现期
• 3.4.2 第二重现期
• 3.4.3 实例分析
• 3.5 本章小结
• 第4章 海上风电工程支承结构可靠度研究
• 4.1 引言
• 4.2 海上风电工程支承结构可靠度方法优选
• 4.2.1 失效模式法（FMA）
• 4.2.2 整体模式法（GMA）
• 4.2.3 替代模型法（SMA）
• 4.2.4 结构体系可靠度方法总结
• 4.3 实例分析
• 4.3.1 工程数据
• 4.3.2 建立有限元模型
• 4.3.3 荷载概率分布及其统计参数
• 4.3.4 荷载组合
• 4.3.5 抗力随机变量概率分布及其统计参数
• 4.3.6 可靠度分析
• 4.4 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢