随机海浪谱的物理模型与海洋结构波浪动力可靠度分析

摘要

风浪相互作用以及随机波浪谱理论一直是物理海洋学和随机波浪理论研究的中心问题。结构在波浪作用下的随机响应及其动力可靠度则为海洋工程研究的重要内容。围绕上述两个主要问题，本文提出了基于拟层流风波生成机制的物理海浪谱模型，并应用概率密度演化方法开展了近海风力发电高塔在随机波浪作用下的动力可靠度分析。 ⑴由一般方式推导出高阶Orr—Sommerfeld方程，其一阶形式对应经典的拟层流机制。引入合适的坐标变换使得各个高阶Orr—Sommerfeld方程变为标准形式。采用Runge—Kutta法结合微分方程级数解理论，分别获得深水及有限水深时能量传递系数的数值解。考虑扰动波面是Stokes波，发展了风浪相互作用Stokes模型。针对二阶情形，考察了高阶波面压力及能量的变化规律，讨论了波陡、相对水深对其的影响，并定义了拟非线性能量传递系数以计及高阶能量的贡献。 ⑵基于拟层流模型，揭示了风浪谱能量来源的具体物理机制，即给定频率处海浪谱的能量等于具有该频率的谐波自具有对数剖面的平行气流中汲取而来。利用Fourier密度谱与能量谱之间的关系，建立了海浪谱与风波相互作用之间能量传递的物理联系。采用坐标偏移算子和窗函数，建立了基于拟层流风波生成机制的物理海浪谱模型：随机Fourier海浪模型。分析表明，上述能量传递关系具有相同的量纲，由此建立的谱模型具有明确的物理意义。在59个实测波面样本功率谱的基础上，分别以均方逼近和一致逼近为随机建模准则，通过优化算法识别出模型中随机参数的概率结构。通过考虑随机参数的相关性，检验了独立性假定对随机建模结果的影响。 ⑶介绍了采用概率密度演化方法进行动力可靠度分析的一般步骤，说明了其中涉及到的关键技术，如数论选点法，等价极值事件原理。基于本文提出的随机Fourier海浪模型，分析了海上风力发电高塔结构在随机波浪作用下的动力反应及其可靠性，给出了塔顶侧移、塔底危险点应力、塔底弯矩的动力可靠度。其中，波浪荷载通过线性波浪理论和Morison公式计算，结构动力响应的确定性分析结果由ABAQUS有限元软件建模完成。 ⑷研究表明：本文提出的能量传递关系具有明确的物理意义，在此基础上发展的随机Fourier海浪模型可以很好地预测谱能。随机建模结果证实，随机Fourier模型均值以及集合功率谱与对应的实测值吻合良好，随机Fourier海浪模型的标准差建模结果还有待于改进。结合等价极值事件原理，概率密度演化方法可以成功地应用于结构的波浪动力可靠度分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章 绪论

1.1引言

1.2风浪生成机制研究现状

1.3海浪谱研究现状

1.3.1海浪谱

1.3.2海浪方向谱

1.3.3第三代波浪谱

1.4波浪动力可靠度研究现状

1.4.1动力可靠度分析方法

1.4.2波浪动力可靠度分析

1.5本文工作的目的和意义

第二章 理论基础简述

2.1引言

2.2水波理论基础

2.2.1水波控制方程

2.2.2线性水波理论

2.2.3二阶Stokes水波理论

2.3线性随机波浪理论

2.4小结

第三章 基于拟层流机制的物理海浪谱模型

3.1引言

3.2拟层流机制

3.2.1高阶Orr-Sommerfeld方程

3.2.2拟层流机制

3.3风浪能量传递

3.3.1能量传递系数

3.3.2能量传递系数的数值解

3.3.3拟非线性能量传递系数

3.4随机海浪谱的物理模型

3.4.1物理海浪谱能量构成机制

3.4.2物理海浪谱模型

3.5小结

第四章 物理海浪谱随机建模

4.1引言

4.2随机建模理论

4.3基于均方逼近准则的建模

4.4基于一致逼近准则的建模

4.5考虑相关性的随机建模

4.5.1多维正态分布概率密度函数

4.5.2联合概率密度函数的构造

4.5.3相关性对随机建模结果的影响

4.8小结

第五章 近海风力发电高塔随机波浪动力响应分析

5.1引言

5.2概率密度演化理论

5.2.1广义密度演化方程

5.2.2密度演化方程的数值解法

5.3随机波浪荷载

5.3.1基本随机变量的数论选点

5.3.2基于随机Fourier海浪模型的波面模拟

5.3.3随机波浪力

5.4近海风力发电高塔随机动力响应分析

5.4.1单自由度模型

5.4.2单桩基础近海风力发电高塔动力响应分析

5.4.3三脚架基础近海风力发电高塔动力响应分析

5.5小结

第六章 近海风力发电高塔波浪动力可靠度分析

6.1引言

6.2极值概率密度理论

6.2.1极值分布的密度演化方法

6.2.2等价极值事件

6.2.3波浪动力可靠度分析流程图

6.3近海风力发电高塔波浪动力可靠度

6.3.1单桩基础近海风力发电高塔波浪动力可靠度分析

6.3.2三脚架基础近海风力发电高塔波浪动力可靠度分析

6.4小结

第七章 结论与展望

7.1结论

7.2进一步工作的展望

参考文献

附录

致谢

个人简历 在读期间发表的学术论文与研究成果