基于概率密度演化理论的大型海上风力发电高塔系统随机响应与整体可靠性研究

Based on the probability density evolution method, stochastic response and global reliability evaluation method of large offshore wind turbine tower systems will be investigated in the present project. By combining the in-operation and disaster-resistant dynamics mechanism of large offshore wind turbine tower systems, we will establish the dimension-reduced probability density evolution equation for high-dimensional nonlinear systems subjected to non-stationary, non-white-noise engineering dynamic excitations, and develop the numerical algorithms of high accuracy and high efficiency. Combining with the physical mechanism and the measured data, carry out the physical modeling of wind-wave concurrent actions. Combining with the experimental investigations, conduct the refined dynamics modeling method, which could consider the nonlinear coupling effects including the aerodynamic coupling, for the large offshore wind turbines under concurrent wind-wave actions. Further, incorporating the dimension-reduced probability density evolution equation, implement the stochastic response analysis of large offshore wind turbine tower systems. Study and reveal the failure mechanism of the large offshore wind turbine tower system for the cases of grid-connected operation and disaster resistance. Combining the failure mechanism and the absorbing boundary condition and/or the extreme value distribution, develop the method for global reliability evaluation of large offshore wind turbine tower systems. It is expected to train 6-8 Ph.D. and master students, and publish over 15 papers. The studies in the present project will lay a solid foundation for the theory and technique for global reliability evaluation of large offshore wind turbine tower systems.

基于概率密度演化理论，进行大型海上风力发电高塔系统随机响应与整体可靠性分析的理论与试验研究。结合大型海上风力发电高塔系统的运行与抗灾动力学机制，研究建立非平稳、非白噪声随机激励下高维非线性系统的降维概率密度演化方程，并发展精确高效的数值方法。基于物理机制与实测数据，进行风-浪联合作用物理建模研究。结合大型海上风力发电高塔系统响应实验，发展和完善风-浪联合作用下考虑气动耦合等多种非线性效应的大型海上风力发电高塔系统精细化动力学建模方法。进而，基于降维概率密度演化方程，实现大型海上风力发电高塔系统随机响应的精细化分析。针对并网运行和抗灾性能，研究和揭示海上风力发电高塔系统的失效机制。在此基础上，结合失效机制、吸收边界条件与极值分布，发展海上风力发电高塔系统整体可靠性分析方法。预计培养博、硕士研究生6-8人，发表论文15篇以上。本项研究将为大型海上风力发电高塔系统的整体可靠性设计理论与技术奠定关键基础。

大型海上风力发电机组结构支撑系统的整体可靠性分析与设计是保障海上风电场安全、经济运行的基础，但长期面临一系列挑战性难题。为此，在本研究项目中，基于概率密度演化理论，系统开展了大型海上风力发电高塔系统的随机响应与整体可靠性研究。经过4年的努力，主要研究进展包括：（1）针对高维系统随机动力响应分析问题，提出了随机非线性系统分析的概率密度群演化方法及其数值方法，实现了高维FPK方程的解耦降维，并将其推广到工程中必须面对的非平稳、非白噪声激励情形之中。该方法不仅具有良好的全局精度，而且对整体可靠度至关重要的概率密度函数尾部精度很高。（2）提出了适用于大型海上风力发电结构的风场建模新方法——波数-频率联合谱方法，避免了传统方法中空间插值带来的误差和计算困难；深入揭示了旋转采样的物理机制、导出了旋转采样谱的解析表达；首次发展了能够考虑波浪质点运动空间相关性的波浪随机场滤波表达；基于多源实际数据，引入物理背景考虑台风与良态风的划分、风-浪数据的季节性效应分离，进而引入copula模型，实现了风-浪联合作用关键参数的全概率建模。（3）建立了考虑多种非线性耦合效应（包括气动效应、桨叶旋转效应、水动效应、桩土相互作用、几何非线性影响和变桨变速控制效应等）、且分析高效的并网大型海上风力发电高塔系统一体化动力学模型，通过理论与试验等多种途径对比验证了本项目发展模型的正确性、有效性和高效性。（4）在上述研究基础上，以我国南海某区域数据为基础，进行了海上风力发电系统运行工况下的支撑结构与桨叶疲劳寿命评估，结果表明不同耦合效应对不同关键部件疲劳寿命影响具有显著差别；进而，基于前述研究，进一步建立了切出风速条件下的有效波高和谱峰周期联合概率分布；在此基础上，采用概率密度演化理论，进行了大型海上风力发电机组支撑系统的随机动力响应精细化分析与整体可靠度评估。.本项目的研究进展为大型海上风力发电机组支撑系统的随机响应及运维可靠性与抗灾安全性定量分析与设计奠定了理论基础。.项目研究过程中，在国内外学术期刊与国际学术会议发表论文19篇（其中国内外学术期刊论文17篇），获得软件著作权1项，课题组1人获得国家杰出青年科学基金资助，培养博、硕士生6人，应邀在国内外学术会议做大会特邀或主题报告6次。