海工结构的不确定性与极留数方法对它的有效动力分析

Uncertainty in many engineering problems include the random excitation and uncertain system parameters. The random excitation can be considered by developing the random theory，but the uncertainty of the offshore structure is always ignored. The uncertainty for system parameters include material properties, the added mass and potential damping, the influence of the substructure, the corrosion depth of the underwater structure, marine growth and so on. When computing the dynamic response or analyzing the reliability of the structure, the uncertain factors are usually ignored by many researchers and the estimated values are utilized to perform the deterministic dynamic analysis. Also, some researchers consider this uncertain factors and solve the dynamic equation by perturbation expansion, but this method only obtain the approximation outcomes and does not apply to severe sea condition. This proposal aims to develop a new Pole-Residue method to compute the dynamic response which the complicated convolution integral will be substituted by the simple algebraic form, so the efficiency and accuracy of the computation is significantly improved.

海洋工程存在的不确定性包括激励的随机性和海工结构的不确定性。随机激励的不确定性可以用随机理论考虑，而结构本身的不确定性经常被忽略。造成海工结构的不确定因素众多，例如初始系统参数测量不准确，结构运动过程中附加质量和水动力阻尼的产生，系泊系统等子结构的作用以及服役期间水下结构腐蚀和海洋生物的附着等。在求解结构动力响应或进行可靠性分析时，诸多学者将该不确定性因素忽略，利用参数估计值对结构进行确定性动力分析；有的学者考虑到不确定性因素，通过将不确定参数进行参数摄动展开进行求解，但该类方法仅能得到其近似值，且不适应于恶劣海况。本项目创新性地发展一种海工结构的不确定性动力响应计算方法，综合考虑载荷的随机性和结构参数的不确定性，利用概率方法求解结构的可靠度。在求解结构的动力响应时，本项目提出的极留数计算方法，将计算过程中最为复杂的卷积形式转换成简单的代数形式，可以有效提高计算的效率和精确度。

海工结构的不确定性是海洋工程不确定性的重要组成部分，在实际工程设计分析中，科学合理地考虑各种不确定因素对结构动力响应的影响，能够显著减小结构设计冗余度、提高结构可靠度。本项目围绕不确定海工结构动力分析的关键科学问题和技术难点开展研究，完成了计划书所列的全部研究内容，未进行调整或变动，达到了预期研究目标。取得的主要研究进展包括以下五个方面：1）海工结构参数不确定模型确立方法；2）确定激励作用下不确定性海工结构动力响应的极留数计算方法；3）随机激励作用下海工结构动力响应统计值解析计算方法；4）随机激励作用下不确定性海工结构可靠性设计分析方法；5）基于极零点的海工结构不确定参数识别技术。在本项目的资助下，在本领域权威期刊Journal of Mechanical Engineering，Ocean Engineering，Renewable Energy，Applied Ocean Research和Probabilistic Engineering Mechanics等发表科研论文18篇，其中SCI收录论文16篇，授权软件著作权1项，授权国家发明专利3项，培养研究生7人。项目研究成果可为海工结构不确定性分析和风险评估提供新的技术手段支持。