隨機(jī)海浪譜的物理模型與海洋結(jié)構(gòu)波浪動(dòng)力可靠度分析.pdf

1、風(fēng)浪相互作用以及隨機(jī)波浪譜理論一直是物理海洋學(xué)和隨機(jī)波浪理論研究的中心問(wèn)題。結(jié)構(gòu)在波浪作用下的隨機(jī)響應(yīng)及其動(dòng)力可靠度則為海洋工程研究的重要內(nèi)容。圍繞上述兩個(gè)主要問(wèn)題，本文提出了基于擬層流風(fēng)波生成機(jī)制的物理海浪譜模型，并應(yīng)用概率密度演化方法開展了近海風(fēng)力發(fā)電高塔在隨機(jī)波浪作用下的動(dòng)力可靠度分析。 ⑴由一般方式推導(dǎo)出高階Orr—Sommerfeld方程，其一階形式對(duì)應(yīng)經(jīng)典的擬層流機(jī)制。引入合適的坐標(biāo)變換使得各個(gè)高階Orr—Somme

2、rfeld方程變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)形式。采用Runge—Kutta法結(jié)合微分方程級(jí)數(shù)解理論，分別獲得深水及有限水深時(shí)能量傳遞系數(shù)的數(shù)值解?？紤]擾動(dòng)波面是Stokes波，發(fā)展了風(fēng)浪相互作用Stokes模型。針對(duì)二階情形，考察了高階波面壓力及能量的變化規(guī)律，討論了波陡、相對(duì)水深對(duì)其的影響，并定義了擬非線性能量傳遞系數(shù)以計(jì)及高階能量的貢獻(xiàn)。 ⑵基于擬層流模型，揭示了風(fēng)浪譜能量來(lái)源的具體物理機(jī)制，即給定頻率處海浪譜的能量等于具有該頻率的諧波自具有對(duì)

3、數(shù)剖面的平行氣流中汲取而來(lái)。利用Fourier密度譜與能量譜之間的關(guān)系，建立了海浪譜與風(fēng)波相互作用之間能量傳遞的物理聯(lián)系。采用坐標(biāo)偏移算子和窗函數(shù)，建立了基于擬層流風(fēng)波生成機(jī)制的物理海浪譜模型：隨機(jī)Fourier海浪模型。分析表明，上述能量傳遞關(guān)系具有相同的量綱，由此建立的譜模型具有明確的物理意義。在59個(gè)實(shí)測(cè)波面樣本功率譜的基礎(chǔ)上，分別以均方逼近和一致逼近為隨機(jī)建模準(zhǔn)則，通過(guò)優(yōu)化算法識(shí)別出模型中隨機(jī)參數(shù)的概率結(jié)構(gòu)。通過(guò)考慮隨機(jī)參數(shù)的相

4、關(guān)性，檢驗(yàn)了獨(dú)立性假定對(duì)隨機(jī)建模結(jié)果的影響。 ⑶介紹了采用概率密度演化方法進(jìn)行動(dòng)力可靠度分析的一般步驟，說(shuō)明了其中涉及到的關(guān)鍵技術(shù)，如數(shù)論選點(diǎn)法，等價(jià)極值事件原理。基于本文提出的隨機(jī)Fourier海浪模型，分析了海上風(fēng)力發(fā)電高塔結(jié)構(gòu)在隨機(jī)波浪作用下的動(dòng)力反應(yīng)及其可靠性，給出了塔頂側(cè)移、塔底危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力、塔底彎矩的動(dòng)力可靠度。其中，波浪荷載通過(guò)線性波浪理論和Morison公式計(jì)算，結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)的確定性分析結(jié)果由ABAQUS有限元軟件