[发明专利]海工结构Laplace域动力响应瞬态分离方法

说明书

本发明涉及一种海工结构Laplace域动力响应瞬态分离方法，包括：对荷载进行分段处理，构造各片段的结构Laplace域动力响应方程；对动力响应方程进行Laplace变换，将各片段的结构动力响应分解为荷载作用稳态响应项与传递瞬态响应项；求解荷载作用稳态响应项；分离时间尺度节点的传递瞬态响应项，计算各片段的结构动力响应；将各片段的结构动力响应进行Laplace反变换，得到各片段的时域响应。本发明通过分段在Laplace域求解结构的动力响应，较传统时域方法有较高的精确度，避免了传统时域方法对于时间间隔选择的敏感性，同时，也极大的提高了传统Laplace域方法进行结构动力响应时的计算效率和计算精度。

技术领域

本发明属于Laplace域动力响应分析技术领域，尤其涉及一种海工结构Laplace域动力响应瞬态分离方法。

背景技术

固定式海上结构，例如导管架平台，海上风力发电机等，通常被用于海洋石油、天然气和可再生能源的开采。为了确保结构在整个使用寿命中的安全性，对结构在使用寿命中进行动态分析起着至关重要的作用。在对海上结构进行动态分析时，通常需要研究其在正常、严重和极端海况中的长期荷载作用下的动力响应，从而对其进行疲劳寿命预测。因此，如何考虑分析过程中的准确性和计算效率之间的关系，成为了结构设计中的关键问题。

Laplace域动力响应分析方法基于极值和留数的计算，是平行于时域和频域的一类动力响应分析方法。通过利用极值-留数将结构的响应在Laplace域进行表征，并通过Laplace逆变换将响应转换为时域，从而实现了对结构时域响应的求解。然而，传统Laplace域方法由于Laplace逆变换的局限，仅限于处理输入荷载为简单函数时结构的动力响应，在工程中未得到广泛的应用。在2016年，Hu等人将传统的拉普拉斯域方法扩展到可以处理任意输入荷载，并成功的将其运用到了地震荷载作用下的结构动力响应计算。该方法通过引入低阶状态空间模型对结构所受荷载进行拟合，从而将任意荷载在Laplace域表征，并通过Laplace逆变换将其转换为时域的动力响应。但是该方法在针对长期荷载时，会出现计算时间迅速增加，并且计算结果不准确甚至发散的问题。参考附图1、图2所示，图1中图1(a)为某涡激振动实验的振动响应数据，首先提取其中10s到15s的加速度响应，并利用Hu等提出的方法对其进行极值、留数表征，图1(b)比较了测量信号及该信号的重构结果，可以看到结果具有较好的一致性。但是随着处理片段信号时间的增加，该方法的计算时间会迅速增长，如图2(a)的显示呈上升趋势的曲线；同时图2(a)中下降趋势的曲线显示了随片段的增长，重构结果与测量结果的相关系数，可以看到随着时间段的增加，重构结果与测量结果之间的相关性越来越差。同时，图2(b)显示出了当处理时间段为10s到75s时的重构结果，可以看到该结果与原始信号差距较大，已经无法正确表征原始信号。

在海洋工程结构设计中，例如长期结构安全预报，结构疲劳寿命预测通常需要计算长期荷载作用下结构的动力响应，Hu等提出的Laplace域的动力响应分析方法将不再适用。因此，针对海洋工程中的固定式结构的特点，研究长期荷载作用下的固定式结构动力响应分析方法，对于海洋工程结构的安全监测和检测具有重要意义。

发明内容

本发明针对海工结构的长期荷载作用下的动力响应分析，提供了一种海工结构Laplace域动力响应瞬态分离方法，基于时间尺度节点的瞬态响应分离技术，实现了长期荷载作用下的动力响应分步分析计算，计算精度高。

为了实现上述目的，本发明提供了一种海工结构Laplace域动力响应瞬态分离方法，包括：

对荷载进行分段处理，构造各片段的结构Laplace域动力响应方程；

对动力响应方程进行Laplace变换，将各片段的结构动力响应分解为荷载作用稳态响应项与传递瞬态响应项；

求解荷载作用稳态响应项；

分离时间尺度节点的传递瞬态响应项，计算各片段的结构动力响应；