一种适用于海上风机结构方案设计分项系数的修正方法技术

一种适用于海上风机结构方案设计分项系数的修正方法，其属于海上风机结构的技术领域。该方法基于可靠性分析理论，充分考虑并量化海上风机结构设计结构面临的不确定因素，通过引入分项安全系数，保证设计结构在寿命期内满足预定安全要求的基础之上尽可能地接近目标安全要求，进而避免结构过度设计造成的材料成本浪费。成本浪费。成本浪费。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于海上风机结构方案设计分项系数的修正方法


[0001]本专利技术涉及一种基于结构可靠性原理的海上风机结构设计分项安全系数的修正方法，其具体涉及一种综合考虑海上风力机设计阶段所面临的结构参数和环境荷载等不确定性因素、充分考虑海上风机整体结构不同荷载间耦合作用的海上风机结构方案设计分项安全系数的修正方法。

技术介绍

[0002]在当前阶段，海上风机结构的设计基本上是采用传统的荷载抗力分项系数的确定性设计方法，该设计方法主要依靠荷载分项系数和抗力分项系数来表征海上风机在设计过程中的不确定性因素。此外，目前常用的海上大型风机设计规范中的分项安全系数大多来源于传统的油气行业。但海上风机结构与海洋油气平台在预期功能、所承受荷载及服役年限等方面有诸多区别；因此，在海上风机结构设计阶段直接采用现有规范中的所推荐的分项安全系数通常会造成风机结构的过度设计。因此，在我国海上风电平均成本居高不下的背景下，对现行规范中的安全分项系数进行合理修正是目前海上风能行业亟待解决的客观问题。

技术实现思路

[0003]为了对安全分项系数进行合理修正，本专利技术提出了基于可靠度的海上风机结构方案设计分项系数的修正方法。该方法充分考虑海上风机不同荷载间耦合作用，并且能够充分考虑海上风机设计过程中存在的不确定性因素。基于该修正方法可以对现行海上风机规范相关分项安全系数进行修正，制定出更加符合海上风机结构功能需求的设计规范。此外，该方法还能进一步针对我国海域特有的环境特征，制定出适合中国近海海域的海上风机分项安全设计指标组合。
>[0004]本专利技术提出一种基于结构可靠性原理的海上风机结构设计分项安全系数的修正方法，该方案不仅能够考虑海洋环境荷载与结构之间的耦合作用，还能够针对不同工作状态下(正常运行/停机)的海上风机进行仿真，从而达到系统地、全面地对海上风机结构设计分项安全系数进行合理修正的目的。
[0005]本专利技术采用的技术方案为：一种适用于海上风机结构方案设计分项安全系数的修正方法，包括如下步骤：
[0006]S1、目标设计风机安全功能需求及识别与量化设计过程中存在的荷载不确定性、结构不确定性和偶然不确定性；
[0007]S2、针对上述不确定性变量，采用蒙特卡洛抽样、拉丁超立方抽样或中心复合抽样开展实验设计，获取随机输入变量的样本组合；
[0008]S3、建立海上风机整体耦合模型参数化建模可执行程序，联合上述随机样本组合执行该程序，开展海上风机结构全耦合动力响应自动化计算；
[0009]S4、联合结构输出响应及随机输入变量，构建数学代理模型用以模拟不确定性变
量与结构响应的数学关系；
[0010]构建的数学模型：
[0011][0012]式中：a0,a1,
…
,a
M
为回归模型基函数的系数，对于含交叉项的二次回归模型，其系数M的取值满足
[0013]采用多元线性回归法，基于以上步骤得到的输入变量和输出响应来拟合二次多项式的系数；
[0014]S5、联合上述数学代理模型与海上风机设计安全阈值，同时引入分项安全系数，建立海上风机典型失效模式下极限状态函数；
[0015]所述极限状态函数为：
[0016]其中，R项表示结构抗力，S项表示荷载效应，X表示结构设计过程中的不确定性变量，γ
m
表示结构承载能力分项系数，γ
f
表示结构荷载效应分项系数；
[0017]S6、计算目标失效模式下结构可靠度指标，采用经典的可靠度计算方法对极限状态函数开展结构可靠性指标计算，计算结果记为β(γ
m0
,γ
f0
)；
[0018]联合所得可靠度指标β(γ
m
,γ
f
)与安全可靠度指标阈值β
T
建立优化函数，进一步实现分项安全系数的修正；优化函数为：
[0019]M＝(β(γ
m
,γ
f
)
‑
β
T
)2[0020]采用自适应迭代优化算法逐步地更新安全系数(γ
mi
,γ
fi
)，进而实现典型失效模式下的极限状态方程更新为：
[0021][0022]相应的结构可靠度指标记为β(γ
mi
,γ
fi
)；持续进行该迭代过程，直至求得最小M值，该结果所对应的(γ
m
,γ
f
)即是最优分项安全系数。
[0023]步骤S1中识别与量化不确定性变量，采用统计学原理对物理模型试验数据及海洋环境实测数据开展统计分析，得到表征其不确定性特征的统计分布类型及分布参数。
[0024]步骤S3基于海上风机整体耦合模型参数化建模可执行程序开展海上风机结构全耦合动力响应自动化计算，采用基于现有海上风机全耦合动力仿真工具在开发平台中搭建参数化建模可执行程序，实现目标风机结构的参数化建模、自动化计算及数据的提取保存。
[0025]进一步，开展实验设计获取随机输入变量的样本组合，包括：
[0026]针对上述不确定性变量，采用蒙特卡洛抽样开展实验设计，获取随机输入变量的样本组合，并输出数据文本；
[0027]或，针对上述不确定性变量，采用拉丁超立方抽样开展实验设计，获取随机输入变量的样本组合，并输出数据文本；
[0028]或，针对上述不确定性变量，采用中心复合抽样开展实验设计，获取随机输入变量的样本组合，并输出数据文本；
[0029]进一步，基于海上风机整体耦合模型参数化建模可执行程序开展海上风机结构全耦合动力响应自动化计算，包括：
[0030]基于现有海上风机全耦合动力仿真工具如OpenFAST、HAWC2、Bladed等，在开发平台中搭建参数化建模可执行程序，实现目标风机结构的参数化建模、自动化计算及数据的提取保存。
[0031]进一步，联合结构输出响应及随机输入变量构建数学代理模型，包括：通过数字仿真平台开发数学代理模型拟合工具，通过将输入、输出数据导入代理模型拟合工具，获得结构响应与设计变量间的关系。
[0032]进一步，基于现行规范选取初始设计分项安全系数，联合上述得到的数学模型建立典型失效模式如塔筒结构应力屈服下的极限状态函数，选取一次二阶矩法、蒙特卡洛法、子集模拟法等方法计算结构可靠度指标，并保存相关数据。
[0033]进一步，联合设计目标安全指标与得到的设计可靠度指标建立优化指标，在分项系数的取值域内选取使得优化函数最优值时的分项系数组合即为最终修正方案。
[0034]总而言之，本专利技术是一种基于可靠性原理的考虑海上风机整体耦合作用的海上风机结构设计分项系数的修正方法，因此该方法包含海上风机结构可靠性安全评价的附加功能。此外，该专利技术能够开展风荷载、波浪荷载、海流荷载、海冰荷载及地震荷载等常规荷载对海上风机结构设计的影响研究，充分考虑上述荷载对海上风机结构设计安全系数本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于海上风机结构方案设计分项安全系数的修正方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、目标设计风机安全功能需求及识别与量化设计过程中存在的荷载不确定性、结构不确定性和偶然不确定性；S2、针对上述不确定性变量，采用蒙特卡洛抽样、拉丁超立方抽样或中心复合抽样开展实验设计，获取随机输入变量的样本组合；S3、建立海上风机整体耦合模型参数化建模可执行程序，联合上述随机样本组合执行该程序，开展海上风机结构全耦合动力响应自动化计算；S4、联合结构输出响应及随机输入变量，构建数学代理模型用以模拟不确定性变量与结构响应的数学关系；构建的数学模型：式中：a0,a1,
…
,a
M
为回归模型基函数的系数，对于含交叉项的二次回归模型，其系数M的取值满足采用多元线性回归法，基于以上步骤得到的输入变量和输出响应来拟合二次多项式的系数；S5、联合上述数学代理模型与海上风机设计安全阈值，同时引入分项安全系数，建立海上风机典型失效模式下极限状态函数；所述极限状态函数为：其中，R项表示结构抗力，S项表示荷载效应，X表示结构设计过程中的不确定性变量，γ
m
表示结构承载能力分项系数，γ
f
表示结构荷载效应分项系数；S6、计算目标失效模式下结构可靠度指标，采用经典的可靠度计算方法对极限状态函数开展结构可靠性指标计算，计算结果记为β(γ
m
,γ
f
)；联合所得可靠度指标β...

【专利技术属性】
技术研发人员：李昕，韩付成，王文华，施伟，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：