[发明专利]一种新型非高斯随机波浪模拟方法

说明书

本发明公开一种新型非高斯随机波浪模拟方法，依据波浪谱生成超长时间序列高斯随机波浪，以目标非高斯随机波浪的峰度值和偏度值为初始峰度值和偏度值构建新型非线性幅值调制模型，对超长时间序列高斯随机波浪进行一次性整体调制；提取调制后随机波浪的相位，并与波浪谱结合生成非高斯随机波浪；评估非高斯随机波浪的峰度值和偏度值，并与目标峰度值和偏度值进行比较，根据两者之间的关系微调输入峰度值和偏度值，再次构建新型非线性幅值调制模型，并对高斯随机波浪进行再次整体调制；重复上述步骤即可得到满足要求的非高斯随机波浪。本发明具有较高的模拟效率，保证了调制前后随机波浪能量分布的一致性，具有较高的精度。

技术领域

本发明属于海洋工程领域，具体涉及一种新型非高斯随机波浪模拟方法。

背景技术

大量波浪观测数据表明实际波浪场中的随机波浪因受地形、水深、浪向等因素的影响，其波面高程的概率分布不严格服从高斯分布，即实际波浪场中的随机波浪具有一定的非高斯性。与高斯波浪相比，非高斯随机波浪中小幅值波浪和大幅值波浪发生的概率较大，更容易引发结构的一次性破坏和长期累积疲劳破坏。工程中将实际的非高斯随机波浪简化为高斯随机波浪进行设计分析会导致结构响应预报和安全评估不准确，从而形成结构安全隐患。

研究表明，随机波浪波面高程的概率分布不仅与随机波浪的能量分布有关，还与随机波浪的相位分布密切相关。对于高斯随机波浪，其相位相互独立且在 [0，2π]范围内均匀分布。不同于高斯随机波浪，非高斯随机波浪的相位并不相互独立，而是存在一定的依存关系。因此为了生成非高斯随机波浪，一方面可以从随机波浪的幅值分布特性出发，通过对高斯随机波浪的幅值进行调制，增加大幅值和小幅值波浪波面高程发生的概率，经过若干次的迭代后得到满足要求的非高斯波浪；另一方面可以从随机波浪的相位关系出发，对随机波浪的相位按照一定的关系进行调制，逐渐改变随机波浪的峰度值和偏度值，经过大量的迭代后得到满足要求的非高斯随机波浪。

零记忆非线性转换法是一种典型的通过改变随机波浪幅值分布来生成非高斯随机波浪的方法，该方法可以对超长时间序列随机波浪的幅值进行整体调制，使其快速接近目标非高斯随机波浪，具有较高的计算效率，但该方法在改变随机波浪幅值分布的同时也改变了随机波浪的能量分布，此外该方法仅能对超高斯随机波浪进行有效模拟。在海洋工程结构设计分析过程中，通常以波浪谱作为输入条件，波浪谱的能量分布与输入波浪参数之间存在一一对应关系，改变随机波浪的能量分布会导致与之对应的波浪参数发生改变，从而导致设计分析时采用的波浪参数与预期波浪参数不一致，故海洋工程结构设计分析中改变随机波浪能量分布是不允许的，该方法的实用性受到了限制。

基于相位二次调制的非高斯随机波浪模拟方法是一种典型的通过改变随机波浪相位关系来生成非高斯随机波浪的方法。该方法在迭代的过程中采用随机相位和波浪谱相结合的形式生成随机波浪，可以保证调制前后随机波浪能量分布的一致，但该方法每次仅能对一组相位进行调制，而单次相位调制对随机波浪的峰度值和偏度值的影响非常小，故需要进行大量的迭代才能得到满足要求的非高斯随机波浪，而且随机波浪中数据点越多、非高斯性越强，则需要迭代的次数就越多，因此该方法的计算效率亟待提升。此外，海洋波浪一般为窄带过程，能量分布比较集中，可供调制的相位相对较少，基于相位调制的非高斯波浪模拟方法在模拟窄带非高斯随机波浪时效果不理想。因此，亟待发展一种能够快速生成具有指定目标峰度值和偏度值的非高斯随机波浪模拟方法。

发明内容

本发明目的是针对现有非高斯随机波浪模拟方法的不足，结合现有方法的优势发展一种新型非高斯随机波浪模拟方法，在保证随机波浪能量分布不变的同时具有较高的模拟效率，突破传统零记忆非线性转换方法改变随机波浪能量分布限制和弥补传统基于相位调制方法计算效率低的不足。

为了实现上述目的，本发明是由以下技术方案实现的：

一种新型非高斯随机波浪模拟方法，包括以下步骤：