考虑多场耦合的大型海上风机支撑结构可靠性优化设计方法

Reliability-based design optimization (RBDO) of offshore wind turbine support structures (OWTSS) needs to consider the air-structure-water -servo-soil fully coupling effects subject to wind, waves and currents, as well as the high-dimension and multisource stochastic uncertainties and epistemic uncertainties involved in external environment, material behavior, computational modeling and other aspects. So, the traditional probability theory is found inapplicable to the case. In this project, hybrid model of probability and probability-box (p-box) will be used to RBDO of OWTSS，and two key problems of the reliability modeling and the huge computational cost originated from multi-physical field coupling will be investigated. The first step is to establish the stochastic airfoil model and joint probability distribution function of wind-wave based on Copula function，to compute extreme load distribution of support structure based on the air-structure-servo-water fully coupled dynamics model，and to acquire the envelop boundaries of extreme load distribution by probability boundary analysis. The second step is to present the method converting the envelop boundaries to p-box, and the reliability computational approach based on active learning surrogate model. Lastly, the practical and efficient RBDO method will be researched.This project will provide the theoretical support for structural design of offshore wind turbine and offer a new calculation method for RBDO problem considering multi-physical field coupling.

海上风机支撑结构可靠性优化设计不仅需要考虑风、浪、流联合作用下的结构与气动、水动、岩土和控制的耦合作用，还需要考虑环境、材料和计算模型等方面存在的高维、多源随机不确定性和认知不确定性，因此传统概率方法难以适用。本项目拟采用概率-概率盒混合模型对海上风机支撑结构进行可靠性优化设计，围绕多场耦合下不确定建模困难和可靠性优化设计效率低两个关键问题开展研究。首先拟建立叶片翼型随机模型和基于Copula函数的风浪联合模型，利用气-结构-伺服-水全耦合动力学仿真模型计算支撑结构极值载荷分布，并运用概率边界法获取极值载荷分布的包络边界；然后提出包络边界转化为概率盒的方法和基于主动学习代理模型的可靠度计算方法；最后研究高效的可靠性优化设计方法。项目的完成将为海上风机结构设计提供理论支撑，也为复杂物理场的结构可靠性优化提供一种新的研究思路。

海上风机支撑结构可靠性优化设计对于降低投资成本和提高机组可靠性至关重要。本项目针对多场耦合下复杂结构的多源混合不确定建模和结构可靠性优化中多层嵌套求解等难题，构建考虑桩-土耦合海上风机支撑结构数值仿真模型，提出基于概率盒理论的海上风机支撑结构不确定传播高效分析方法，与自适应Kriging代理模型技术相结合，提出了高效的海上风机支撑结构可靠性分析与优化设计方法。取得的主要研究进展包括:（1）构建了考虑桩-土耦和风浪流联合载荷下的海上风机支撑结构有限元仿真模型，分析建模中模型不确定性和模型参数不确定性的特点，使用概率盒模型对载荷、材料、边界和结构响应输出中的随机和认知混合不确定性进行量化分析；（2）提出利用概率盒模型的不确定传播分析框架，构建基于协同优化控制的海上风机支撑结构不确定分析方法和基于多保真模型的接收-拒绝分层采样方法，将其用于支撑结构不确定分析，可以高效获取响应设计概率边界；（3）构建模态、应力、屈曲等方面的极限状态方程，提出基于自适应Kriging蒙特卡洛采样的低失效概率结构可靠性分析方法；（4）构建海上风机支撑结构的概率-区间混合可靠性优化设计模型，提出一种基于移动向量的解耦算法高效求解双层嵌套优化问题；（5）将不确定传播分析和可靠性优化设计方法进行集成，开发专用海上风机支撑结构可靠性设计软件，相关基础算法推广应用于其他结构设计和状态评估中。本项目的完成完善了海上风机支撑结构的可靠性优化设计理论体系，对促进我国风电技术发展具有重要推动作用。