随机行人荷载下结构动力可靠度分析

基于概率密度演化理论(PDEM),提出一种通过动力可靠度对简支梁在随机行人荷载下的响应进行评估的方法。选取步频、步长、体重以及各行人的到达时间为随机变量,确定性结构动力响应由显式Newmark法计算给出,通过PDEM理论可以方便地计算出行人通过简支梁时任意时刻响应的概率信息,以及不同舒适度阈值水平下跨中加速度的动力可靠度。算例验证表明,简谐荷载下分布参数体系的概率密度演化分析结果与统计结果吻合良好。通过对单人以及多人荷载下响应随机演化过程的分析表明,行人荷载随机性对结构响应具有显著影响,建议利用动力可靠度对结构进行振动响应分析以及人致振动舒适度评价。     

多维多点地震激励下随机K8单层球面网壳的可靠度分析

大跨度空间钢结构的多维多点抗震分析已有不少研究,但针对其随机反应极值分布的研究甚少。传统的基于跨越理论的方法仅在简单的场合和很强的假定下才可得解析解;而扩散过程理论方法仅在单自由度体系等简单情形下才能使用,基于此,将近年来提出的概率密度演化法引入到多维多点激励下大跨度空间钢结构动力反应极值分布的计算中,该法构造了一个虚拟时间过程,建立概率密度演化方程并求解给出随机结构动力反应的极值分布,在安全域内积分即可给出结构动力可靠度。为验证其效率与精度,应用此法求得了多维多点地震激励下单层球面网壳结构的可靠度与极值分布,与随机模拟结果一致,因此引入的算法具有准确、高效和通用的特点。     

粘滞阻尼减震结构振动台试验与动力可靠度分析

开展了随机地震动作用下黏滞阻尼减震结构振动台试验,并采用概率密度演化方法和等价极值事件原理,对有控和无控试验模型的动力可靠度分别进行了分析。结构控制振动台试验中,采用基于物理随机地震动模型生成的地震动样本作为台面输入。试验结果表明:采用黏滞阻尼器作为减振装置,能够显著降低模型结构层间位移反应的均值和标准差,与此同时,楼层剪力的均方根值一般也较无控时明显减小;随机地震动作用下,模型结构动力响应的变异性显著,并且不同试验地震动样本输入时,黏滞阻尼器取得的减振效果不同。试验模型动力可靠度分析结果表明,有控模型结构各楼层可靠度以及体系可靠度均较无控时显著提高,抗震可靠性明显增强。     

基于概率密度演化法的隔震结构随机地震响应与可靠度分析EI北大核心CSCD

采用简化的两质点隔震结构模型研究随机地震激励下结构设计参数随机性对结构位移响应与可靠度的影响。隔震层和上部结构分别采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型来模拟,结合概率密度演化方法和基于极值分布的可靠度理论,求解不同场地条件、阻尼比、周期比与屈重比下隔震层与上部结构的层间位移响应信息与整体可靠度,并对设计参数进行优化。研究结果表明:概率密度演化方法能够有效评估隔震结构的抗震性能;通过对设计参数的适当取值,能使隔震层与上部结构位移响应均最小,从而提高隔震结构整体可靠度。     

基于概率密度演化法的隔震结构随机地震响应与可靠度分析

采用简化的两质点隔震结构模型研究随机地震激励下结构设计参数随机性对结构位移响应与可靠度的影响。隔震层和上部结构分别采用Bouc-Wen模型和刚度退化的Bouc-Wen模型来模拟,结合概率密度演化方法和基于极值分布的可靠度理论,求解不同场地条件、阻尼比、周期比与屈重比下隔震层与上部结构的层间位移响应信息与整体可靠度,并对设计参数进行优化。研究结果表明:概率密度演化方法能够有效评估隔震结构的抗震性能;通过对设计参数的适当取值,能使隔震层与上部结构位移响应均最小,从而提高隔震结构整体可靠度。     

近海风力发电高塔波浪随机动力响应分析

基于拟层流风波生成机制建立的随机Fourier海浪模型,采用概率密度演化理论研究了近海风力发电高塔在随机波浪作用下的动力响应问题,给出了结构响应概率密度函数的时间演化过程、概率密度等值线图及其均值和标准差.其中随机波浪力由线性波浪理论和M0rison公式计算.结果表明,概率密度演化方法可以获得结构波浪动力响应的时变概率密度函数和等概率密度响应轨迹.据此计算的均值及标准差与Monte Carlo计算结果吻合较好.     

基于随机过程跨越理论的钢轨动力可靠性分析与比较

采用模态分析方法建立车辆-轨道垂向耦合动力计算模型,使用Wilson-θ数值积分方法,得到钢轨在列车荷载作用下的随机振动响应。基于随机过程跨越理论,得到在不同的跨越假设以及极值分布条件下钢轨的动力响应可靠度,并与数值模拟法计算的结果进行比较。结果表明：对于低跨越界限,极值I型分布方法的计算结果与精确值最为接近;而对于高界限,高斯分布法效果最好。     

随机结构动力可靠度分析的概率密度演化方法

基于随机结构动力反应分析的概率密度演化方法，提出了一类新的随机结构动力可靠度分析方法。在随机结构动力反应概率密度演化方程的基础上，对于首次超越问题，根据所给的首次超越破坏准则施加相应的吸收壁边界条件，求解具有吸收壁边界条件的概率密度演化方程并在安全域内积分．给出结构的动力可靠度。结合精细时程积分方法和具有TVD性质的差分格式，讨论了计算结构动力可靠度的数值方法。以八层框架结构为例进行了动力可靠度分析并与随机模拟分析结果进行了比较。     

随机结构动力反应的极值分布

提出了求解随机结构动力反应极值分布的概率密度演化方法。基于随机结构动力反应概率密度演化分析的基本思想，可构造一个与随机结构动力反应极值有关的具有“虚拟时间参数”的随机过程及其导数过程，导出了一维概率密度演化方程。结合结构动力反应的时程分析方法与有限差分方法，可求解该随机过程的一维概率密度函数。当虚拟时间参数为1时，即得到随机结构动力反应的极值分布。这一方法可用来求解一般的随机抽样和随机过程的极值分布。与随机抽样极大值分布的理论结果比较表明，本文建议方法具有良好的精度。在此基础上，分析了八层框架结构随机动力反应极值分布的若干特征。     

动力可靠度约束下基于概率测度变换-全局收敛移动渐近线法的结构优化设计EI北大核心CSCD

基于动力可靠度的结构优化是实现随机动力系统优化设计的重要途径。针对设计变量为系统中部分随机变量分布均值的情形,提出了一种基于动力可靠度的结构优化设计方法。在该方法中,通过概率密度演化理论实现了结构动力可靠度的高效分析。在此基础上,结合概率测度变换,可以在不增加任何确定性结构分析的前提下,实现动力可靠度对设计变量的灵敏度分析。进而,通过将上述概率密度演化-测度变换方法嵌入全局收敛移动渐近线法,实现了基于动力可靠度的结构优化设计问题的高效求解。数值算例的结果表明,所提方法可以显著降低结构分析次数,具有较高的效率与稳健性。     

Optimization Design of TMD for Vibration Suppression of Offshore Floating Wind Turbine

In order to suppress the responses of the large vibration displacements and loads of the offshore floating wind turbine under the harsh marine environment,an effect method for restraining vibration,putting tuned mass dampers( TMD) in the cabin of wind turbine,is proposed in this paper.A dynamics model for offshore floating wind turbine with a fore-aft TMD is established based on Lagrange equation; Parameter identification of the wind turbine is performed by the non-linear least squares Levenberg-Marquardt( LM) algorithm; Parameter optimization of the TMD is researched when considering the standard deviation of the tower top longitudinal displacements as the objective function.Aiming at five typical combined wind and wave load cases under normal running state of the wind turbine,the dynamic responses of the wind turbine with / without TMD are simulated and the suppression effect of the TMD is investigated.The results show that:there exists the optimum TMD mass ratio1.8% when the damped free vibration of the wind turbine,and the standard deviation of the tower top longitudinal displacements is decreased 60% in 100 seconds by the optimized TMD.The standard deviation suppression rates of the longitudinal displacements and loads about the tower and blades increase with the increasing TMD mass ratio when the wind turbine vibration under the combined wind and wave load cases,and when the mass ratio changes from 0.5% to 2%,the maximum suppression rates are from 20% to 50%,which effectively reduce the vibration responses of the wind turbine.The research results of this paper preliminarily verify the feasibilities of using TMD for restraining vibration of the offshore floating wind turbine.     

基础冲刷对海上风电场塔架支撑系统动力特性的影响分析

针对海上风力机塔柱支撑结构受到土基、海洋流体的复杂作用的特点,建立三维有限元数值模型,开展不同海床冲刷深度条件下支撑系统结构的动态特性,探讨其变化规律,为海上风力机支撑系统的动力稳定设计提供科学依据。     

考虑RNA运行作用的近海风电结构动力响应分析

在风、浪的长期耦合作用下,海上风电结构的振动问题不仅会影响发电机组的电能输出,还会加剧结构的累积疲劳损伤,危害结构安全。为更加科学、合理地认识近海风电结构的动力特性,该文通过考虑风轮-机舱组件(rotor-nacelle assembly, RNA)运行作用及风、浪相关性,采用Von Karman风谱模型模拟湍流风场并计算气动荷载,通过莫里森方程求取单桩基础结构的波浪荷载,对NREL 5MW单桩风电塔进行动力响应分析,对比其在不同状态下的动态行为模式;通过批处理程序,开展对近海风电结构在3 m/s~30 m/s风速范围内的响应计算,探究RNA运行作用下近海风电结构位移、加速度响应随风速的变化规律。结果表明:近海风电结构在不同工作状态下的动力响应具有不同的频谱特征,其位移、加速度峰值响应会被RNA运行作用放大。     

台风非平稳性对钢格构浮式基础海上风机动力响应影响研究

该文提出了一种用于海上风机的新型钢格构式浮式基础,研究了台风作用下新型钢格构式浮式基础的动力载荷和动力响应。根据美国可再生能源实验室的5 MW风电机组参数初步设计了一种新型的钢格构式浮式基础;采用Holland台风模型和超强台风“山竹”(1822)的实测数据,基于叶素动量理论、势流理论和Morison方程分析了台风-浪荷载联合作用下的浮式基础动力响应特性。结果表明:该文提出的钢格构式浮式基础的动力载荷和运动响应会受到台风作用的显著影响,强台风及台风过境工况下的响应显著大于稳态强风工况,并呈现出剧烈的非平稳性。浮式基础动力载荷和运动响应与环境风速变化的趋势一致,且当风向不断变化,将引起塔筒底部产生较大的扭矩,海上风机浮式基础产生较大的艏摇运动响应。证明了考虑台风作用对钢格构式浮式风机基础稳定性影响的必要性,为钢格构式浮式基础海上风机在台风作用下的安全评价提供了理论依据和分析方法。     

地震动方向对海上风力发电机动力响应的影响

叶轮-塔架耦合及气动阻尼作用使得海上风力发电机前后向、侧向动力特性存在差别。针对NREL 5 MW单桩式海上风力发电机,通过理论分析,探讨海上风力发电机前后向与侧向振型、阻尼特性的差异;然后,针对停机和运行两种工作状态,采用气动-伺服-水动-弹性完全耦合方法,分析输入地震动方向影响海上风力发电机结构动力响应的规律,探讨最不利方向;最后,还分析了平均风速对最不利输入地震动方向的影响。结果表明:输入地震动方向可能显著影响海上风力发电机支撑结构泥面弯矩和塔顶位移幅值;对于运行状态,强震作用下,侧向为最不利输入地震动方向,弱震作用下,前后向为最不利输入地震动方向。     

Dynamic Analysis of Wind Power Turbine's Tower under the Combined Action of Winds and Waves

To deal with the dynamic response problem of offshore wind power tower under the combined action of winds and waves,finite element method is used to analyze the structure and flow field around the outside flange of the segmentation part. The changes of pressure distribution and vorticity about the outside flange are obtained.Focused on the analysis on the change of hydrostatic pressure and temperature of the tower cut surface,contour lines under the combined action of winds and waves are depicted. Results show that the surface of the offshore wind turbine tower presents instable temperature field when it suffers the action of winds and waves loads,the static pressure increases nonlinearly with the increase of altitude,the fluid vorticity around the outside flange follows an parabolic curve approximately. Results provide a reference for the actual monitoring data of the offshore wind turbine tower under the combined action of winds and waves,so as to ensure the normal operation of tower.     

考虑系缆拉伸-弯曲-扭转变形的浮式风力机动力响应研究

考虑系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形产生的非线性系泊力,研究海上浮式风力机系统的动力响应。考虑系缆非线性几何变形,建立系泊系统拉伸-弯曲-扭转变形的动力学分析模型。建模过程中,采用了四元数方法进行局部坐标系与全局坐标系之间的旋转,避免了旋转过程中奇点的产生。综合考虑系缆非线性系泊力、水动力、空气动力及风力机结构系统,建立了系统动力学分析模型,开发了考虑系泊系统非线性系泊力的系统动力响应计算程序。针对OC3 Hywind Spar型5 MW浮式风力机,分析额定作业海况与极限海况下风力机系统的动力响应,并将结果与系泊系统采用准静态悬链线方法的模拟结果进行了对比。结果表明,考虑拉伸-弯曲-扭转变形效应后,系泊缆张力的波频响应被放大,同时还出现了多个高频峰值,将对系泊缆的疲劳寿命计算产生影响。     

长周期地面运动和SSI效应对风机动力响应的影响

针对建设在软土地基上的大功率风机结构,需要同时考虑长周期地面运动和土-结构相互作用(SSI)的影响。为了全面研究长周期地面运动和SSI效应对风机塔筒结构动力响应的影响,首先基于某1.25 MW变桨距风机结构建立了包含叶片、机舱、塔筒和基础的结构整体有限元模型,并进行了模态分析。其次在世界地震记录数据库中选择了1条普通波(EI-Cento波)和2条长周期波(HKD054波和CDAO波),并对两种波的时频特性进行对比分析,同时建立了考虑与不考虑SSI效应的对比模型。最后利用ANSYS软件并采用时程分析法对考虑与不考虑SSI效应的风机结构在两类地震波作用下的地震响应进行对比分析,并对叶片与塔筒的碰撞问题、门洞区域的应力集中、机舱内主轴在剪力作用下的破坏以及基础的失效问题进行了进一步的研究。结果表明:长周期地震作用下的风机结构位移、加速度、应力和内力响应值均大于普通波作用下的结果,在此基础上某些响应甚至会被SSI效应进一步放大。因此在风机结构的抗震设计中需要考虑长周期地震作用和SSI响应的影响,特别是在软土地基区域。另外,塔筒与门框连接区域、机舱内主轴和基础等薄弱区域需要适当加强。     

Reliability analysis of universal joint of a compliant platform

The paper describes a methodology for computation of fatigue reliability of universal joint in an articulated offshore tower. Failure criteria were formulated using the conventional Palmgren‐Miner rule (S‐N curve approach) and the fracture mechanics (F‐M) principle. The dynamic analysis of double hinged articulated tower under wind and waves is carried out in time domain. The response histories of hinge shear stresses are employed for the reliability analysis. Advanced first‐order reliability method and Monte Carlo simulation method were used to estimate the reliability. Various parametric studies were carried out, which yield important information for the reliability based design. The S‐N curve approach yields a significantly conservative estimate of probability of failure when compared to the F‐M approach.