论文摘要
相对于陆上结构,海洋结构物的服役环境更为恶劣,其遭受的环境荷载更加复杂。为确保海洋结构物在服役期间的安全性和可靠性,需要在设计阶段对结构物的响应进行准确的极值预报和疲劳损伤评估。相较于时域分析方法,基于功率谱的频域分析方法更为快捷,能满足实际工程中需要对诸多工况进行快速预报的要求。然而,面对海洋工程研究设计中无可避免的诸多非线性问题,以及结构响应呈现出的宽带特性和非高斯统计特征,现阶段的频域分析方法依然存在着很多不足。基于此,本文先后开展了以下的时-频域研究工作:无论是非高斯过程的极值预报还是疲劳损伤评估,若采用频域或概率方法,都绕不开对非高斯随机过程的显式公式化描述。因此,本文对工程上常用于描述非线性系统的Hermite变换模型展开了研究,并提出了同时基于中心矩和线性矩的复合Hermite变换模型,有效地将Hermite变换模型的应用从三阶拓展到四阶,以处理强非高斯问题。本文以对数正态模型作为假想的非线性系统,对比分析了在解析条件下和在样本数据条件下,各类Hermite变换模型与传统的Gumbel法以及平均条件穿越率（ACER）法在非高斯极值预报中的表现。结果表明,对于大偏度强非高斯随机过程的极值预报,复合Hermite模型不仅在解析条件下较为准确,在小样本条件下也最为可靠。针对双模态高斯随机过程和三模态高斯随机过程的疲劳损伤评估,本文提出了一种新颖的谱分析方法——模态耦合分析方法。不同于传统的基于概率论的谱分析方法,该方法从分割功率谱的角度出发,将功率谱分割成很多份极窄的频带。每个频带所造成的疲劳损伤可以使用窄带假设单独计算,而任意两个频率模态间的耦合效应则通过引入一个耦合系数ζ进行计算。这些窄频带造成的疲劳损伤和模态耦合造成的疲劳损伤之和,即是总的疲劳损伤。大量的数值实验结果表明,对比于其它主流疲劳损伤谱分析方法,本文提出的高斯过程模态耦合法不仅物理意义明确,还具有更好的准确性和鲁棒性。对于时域模拟,本文提出了一种基于四阶、五阶Hermite变换的强非高斯随机过程的同源繁衍方法,推导了这些高阶Hermite变换模型中底层高斯随机过程与目标非高斯随机过程间的自相关函数关系。使用该方法,可以从目标非高斯功率谱直接解析推导出底层高斯功率谱,而其他方法则需要反复迭代更新来找寻底层高斯功率谱。本方法生成的非高斯随机过程与目标过程有着相同的功率谱和十分接近的统计特性（相同的统计矩）。本文对莫里森拖曳力、自升式平台的波浪荷载和漂浮式风机的塔柱应力进行了模拟,结果表明本文提出的模拟方法可以迅速有效地生成可用于极值预报和疲劳损伤评估的强非高斯随机过程。基于上述的非高斯过程时域模拟方法,本文还对宽带非高斯随机过程的疲劳损伤进行了研究与讨论。而后通过非高斯疲劳修正因子,分别讨论了带宽和非高斯性对疲劳损伤的影响,指出了现阶段的谱分析方法在结合Hermite变换法进行宽带非高斯疲劳损伤评估存在的不足。使用谱分析方法和非高斯疲劳修正因子对双模态中、弱非高斯过程的疲劳损伤进行了研究,结果表明本文提出的高斯过程模态耦合法配合非高斯疲劳修正因子可以对双模态的中、弱非高斯随机过程进行最为精确的疲劳损伤计算。
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摘要Abstract主要符号表1. 绪论 1.1 研究背景及意义 1.2 非高斯随机过程的极值预报方法研究现状 1.2.1 非高斯过程极值预报的概率方法 1.2.2 非高斯过程极值预报的非线性变换方法 1.3 高斯疲劳损伤的谱分析方法研究现状 1.3.1 常用的宽带高斯疲劳损伤的谱分析方法 1.3.2 双模态高斯疲劳损伤的谱分析方法 1.3.3 三模态高斯疲劳损伤的谱分析方法 1.4 平稳非高斯随机过程的数值模拟方法研究现状 1.5 非高斯疲劳损伤的谱分析方法研究现状 1.6 本文主要研究内容2. 基于Hermite变换的非高斯极值分析方法 2.1 引言 2.2 中心矩和线性矩 2.2.1 中心矩 2.2.2 线性矩 2.3 三阶C-Hermite变换模型 2.3.1 超高斯随机过程的三阶Hermite变换模型 2.3.2 亚高斯随机过程的三阶Hermite变换模型 2.4 超高斯三阶L-Hermite变换模型 2.5 超高斯四阶Hermite变换模型 2.5.1 超高斯随机过程的四阶C-Hermite变换模型 2.5.2 超高斯随机过程的四阶L-Hermite变换模型 2.5.3 超高斯四阶Hermite变换模型的单调性 2.6 复合Hermite模型 2.7 短期极值预报 2.7.1 Hermite变换法 2.7.2 使用解析统计矩的极值预报 2.7.3 四阶Hermite模型的单调性讨论 2.7.4 使用样本统计矩的极值估计:60段3-hr模拟数据 2.7.5 使用样本统计矩的极值预报:10段1-hr模拟数据 2.8 本章小结3. 双模态高斯随机过程疲劳损伤的谱分析 3.1 引言 3.2 谱矩以及谱宽系数 3.3 窄带高斯随机过程疲劳频域分析理论 3.4 常用的宽带高斯随机过程的疲劳谱分析方法 3.4.1 Wirsching-Light（WL）法 3.4.2 Dirlik（DK）法 3.4.3 Tovo-Benasciutti（TB）法 3.4.4 单矩（Single-Moment,SM）法 3.5 双模态高斯随机过程 3.6 针对于双模态高斯随机过程的疲劳谱分析方法 3.6.1 Jiao-Moan（JM）法 3.6.2 LOW法 3.7 基于功率谱分割思想的模态耦合法 3.7.1 功率谱分割思想 3.7.2 双模态高斯过程疲劳分析中的模态耦合效应 3.7.3 模态耦合法 3.7.4 模态耦合系数ξ的确定 3.7.5 高频模态为窄带的双模态算例 3.8 模态耦合法在宽带高频情形下的应用 3.8.1 高频模态为宽带的双模态算例 3.8.2 高频子模态数M的确定 3.9 本章小结4. 三模态高斯随机过程疲劳损伤频域分析 4.1 引言 4.2 三模态高斯随机过程 4.3 高频为窄带的三模态高斯过程的模态耦合法 4.4 高频为宽带的三模态高斯过程的模态耦合法 4.5 算例讨论 4.5.1 理想三模态随机过程 4.5.2 低频模态与中频模态是宽带的三模态随机过程 4.5.3 高频模态是宽带的三模态随机过程 4.5.4 海洋工程中的一个实际三模态谱 4.6 本章小结5. 强超高斯随机过程的时域同源繁衍方法 5.1 引言 5.2 高斯随机过程的模拟 5.3 Grigoriu非线性变换理论 5.4 强超高斯过程的同源繁衍方法 5.4.1 方法简介 5.4.2 底层标准高斯随机过程的功率谱求解 5.4.3 去除高斯功率谱中存在的负值 5.5 同源繁衍方法在极值预报和疲劳分析上的应用 5.5.1 算例5-1:莫里森拖曳力 5.5.2 算例5-2:自升式平台的波浪力极值估计 5.5.3 算例5-3:近海风机的疲劳损伤评估 5.6 本章小结6. 双模态的中弱超高斯随机疲劳谱分析 6.1 引言 6.2 非高斯疲劳修正因子的时域分析 6.2.1 单模态非高斯随机过程 6.2.2 双模态非高斯随机过程 6.3 基于三阶Hermite变换的非高斯疲劳修正因子 6.3.1 Winterstein（WT）非高斯疲劳修正因子 6.3.2 Dirlik非高斯疲劳修正因子 6.3.3 Tovo-Benasciutti非高斯疲劳修正因子 6.4 非高斯疲劳修正因子对比 6.4.1 单模态非高斯疲劳修正因子对比 6.4.2 双模态非高斯疲劳修正因子对比 6.5 双模态非高斯疲劳损伤估计 6.5.1 算例6-1 6.5.2 算例6-2 6.5.3 算例6-3 6.6 本章小结7. 结论与展望 7.1 全文总结 7.2 创新点摘要 7.3 研究展望参考文献攻读博士学位期间科研项目及科研成果致谢作者简介
文章来源
类型: 博士论文
作者: 高山
导师: 郑向远,黄一
关键词: 非高斯过程,谱分析,极值预报,疲劳损伤评估,变换模型,同源繁衍,双模态过程,三模态过程
来源: 大连理工大学
年度: 2019
分类: 基础科学
专业: 力学,海洋学
单位: 大连理工大学
分类号: P75;O346.2
DOI: 10.26991/d.cnki.gdllu.2019.003620
总页数: 211
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标签：非高斯过程论文; 谱分析论文; 极值预报论文; 疲劳损伤评估论文; 变换模型论文; 同源繁衍论文; 双模态过程论文; 三模态过程论文;
