CN115048708B - 一种海上风机单桩基础的易损性评估方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种海上风机单桩基础的易损性评估方法及装置，该方法包括：采集海上风电场位置数据和风浪特征数据，根据海上风电场位置数据和风浪特征数据模拟风浪时间历程；基于风浪时间历程确定风浪动力荷载；获取多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据，并将风浪动力荷载输入三维有限元模型，将多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为三维有限元模型的边界条件，生成单桩基础动力响应结果；给定单桩基础极限状态，基于单桩基础动力响应结果与单桩基础极限状态确定单桩基础的易损性。本方法实现了对海上风机单桩基础的易损性的准确分析。

Description

一种海上风机单桩基础的易损性评估方法及装置
技术领域
本发明涉及海上风机单桩基础技术领域，具体涉及一种海上风机单桩基础的易损性评估方法及装置。
背景技术
近年来，随着世界能源危机的日益加剧以及环境污染问题的日趋突出，海上风电作为一种新型可再生能源，逐渐成为世界各国发展新能源的焦点。目前，单桩基础支承的海上风机仍属于应用最广泛的海上风电开发设备，占总装机量的80%以上，海上风机单桩基础造价是海上风电工程总造价的重要占比之一，约占整体造价的30%-40%，一旦发生损坏将造成重大的财产和并网容量损失，因此其可靠性备受关注；海上风机单桩基础受海浪、水流、脉动风、泥沙运输等动力因素影响，与陆上风电相比，海上风电场建设所面临的科学和工程技术问题更为复杂，为了保证海上风电单桩基础的可靠性，在单桩基础设计阶段，应当评估单桩基础在不同 强度荷载等级下的失效概率，即开展海上风机单桩基础的易损性评估，为设计研究以及保险行业提供指导。
目前，海上风机单桩基础的易损性评估主要面临着以下几个难题：海上风机单桩基础的易损性评估尚缺乏统一的标准，桩基础在实际设计中常基于荷载抗力系数法进行近似概率设计，并不能直接地得到该桩基础在设计服役期内的失效概率；由于海上风机单桩基础长期受到随机的风浪荷载作用，桩基础的位移或转角等响应实质为动力响应，现有的海上风机单桩基础易损性分析方法多为拟静力方法，尚不能准确地反映桩基础的实际动力响应情况，以至于海上风机单桩基础的实际可靠度水平不清；由于海洋土在天然风化、搬运、沉积过程中具有很多不确定性因素，其物理力学性质在空间分布上存在较大不确定性，现有的易损性分析方法没有明确地考虑这方面的影响，海洋土的不确定性常基于可靠度理论来分析，但可靠度理论涉及的概率计算方法较为繁琐，实际应用比较困难。
发明内容
因此，本发明要解决的技术问题在于克服现有技术中的海上风机单桩基础易损性分析方法不能直接地得到该桩基础在设计服役期内的失效概率、不能准确地反映桩基础的实际动力响应情况，并且没有考虑海洋土的不确定性的缺陷，从而提供一种海上风机单桩基础的易损性评估方法及装置。
本发明实施例提供了一种海上风机单桩基础的易损性评估方法，包括：
采集海上风电场位置数据和风浪特征数据，根据所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据模拟风浪时间历程；其中，所述风浪时间历程包括波面时间历程和风速时间历程；
基于所述风浪时间历程确定风浪动力荷载；其中，所述风浪动力荷载包括波浪动力荷载和风动力荷载；
获取多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据，并将所述风浪动力荷载输入三维有限元模型，将所述多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为所述三维有限元模型的边界条件，生成单桩基础动力响应结果；
给定单桩基础极限状态，基于所述单桩基础动力响应结果与所述单桩基础极限状态确定单桩基础的易损性。
上述基于海上风电场位置数据和风浪特征数据，模拟风浪时间历程，可以真实地模拟海上风机单桩基础所处海况，进而基于风浪时间历程确定风浪动力荷载，利用风浪动力荷载得到单桩基础动力响应，准确地反映了单桩基础的实际动力响应情况；并利用多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为三维有限元模型的边界条件，考虑了海洋土不确定性，进而计算单桩基础的易损性，使得对单桩基础的易损性分析更加精确，最后利用三维有限元模型可直观地计算出海上风机单桩基础在不同强度荷载等级的情况下，设计服役期内的失效概率，即易损性，进而为不同应用场景下的单桩基础提供可靠分析数据。
可选地，所述根据所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据模拟风浪时间历程，包括：
将所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据输入预设能量谱密度函数中，生成波浪谱密度函数和风速谱密度函数；
获取波浪初相位和波浪频率，利用所述波浪初相位、所述波浪频率以及所述波浪谱密度函数生成波面时间历程；
获取风速初相位与风速频率，利用所述风速初相位与所述风速频率以及所述风速谱密度函数生成风速时间历程。
上述本发明基于风浪的能量谱密度函数，即波浪谱密度函数和风速谱密度函数，可模拟给定时程的风荷载和波浪荷载，以便真实地模拟海上风机单桩基础所处海况，进而得到准确度的单桩基础的动力响应。
可选地，所述利用所述波浪初相位、所述波浪频率以及所述波浪谱密度函数生成波面时间历程，包括：
提取所述波浪谱密度函数的角频率范围，将所述角频率范围等分为多个波浪频率区间；
基于所述角频率范围的上限与下限和波浪频率区间份数确定波浪等分间距；
基于所述波浪初相位、所述波浪频率、所述波浪等分间距和所述波浪谱密度函数确定所述波面时间历程。
可选地，所述利用所述风速初相位与所述风速频率以及所述风速谱密度函数生成风速时间历程，包括：
提取所述风速谱密度函数的脉动风频率范围和风速幅角，将所述脉动风频率范围等分为多个风速频率区间；
基于所述脉动风频率范围的上限与下限和风速频率区间份数确定风速等分间距；
基于所述风速初相位、所述风速频率、所述风速幅角、所述风速等分间距和所述风速谱密度函数确定所述风速时间历程。
可选地，所述基于所述风浪时间历程确定风浪动力荷载，包括：
获取空气密度、叶片扫掠面积和轴向传导系数，基于所述空气密度、所述叶片扫掠面积、所述轴向传导系数和所述风速时间历程确定风机叶片受力面的风荷载；
获取形状系数和塔架宽度，基于所述空气密度、所述形状系数、所述塔架宽度和所述风速时间历程确定塔架受力面的风荷载；
基于所述风机叶片受力面的风荷载和所述塔架受力面的风荷载生成所述风动力荷载。
可选地，所述基于所述风浪时间历程确定风浪动力荷载，还包括：
获取拖曳力、柱体直径、海水密度、水质点运动的水平速度、拖曳力的系数、惯性力和惯性力的系数，基于所述波面时间历程、所述拖曳力、所述柱体直径、所述海水密度、所述水质点运动的水平速度、所述拖曳力的系数、所述惯性力和所述惯性力的系数确定所述波浪动力荷载。
可选地，所述基于所述单桩基础动力响应结果与所述单桩基础极限状态确定单桩基础的易损性，所述单桩基础的易损性的计算公式如下：
Figure 440806DEST_PATH_IMAGE001
上式中，P表示单桩基础的易损性，EDP表示单桩基础动力响应结果，LS表示单桩基 础极限状态，IM表示风浪动力荷载，Coef表示标定参数集合，
Figure 23097DEST_PATH_IMAGE002
表示标准正态分布的累 积分布函数，
Figure 541803DEST_PATH_IMAGE003
表示单桩基础动力响应结果的自然对数的数学期望，
Figure 234953DEST_PATH_IMAGE004
表示待标定的回归曲线标准差。
在本申请的第二个方面，还提出了一种海上风机单桩基础的易损性评估装置，包括：
模拟模块，用于采集海上风电场位置数据和风浪特征数据，根据所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据模拟风浪时间历程；其中，所述风浪时间历程包括波面时间历程和风速时间历程；
确定模块，用于基于所述风浪时间历程确定风浪动力荷载；其中，所述风浪动力荷载包括波浪动力荷载和风动力荷载；
生成模块，用于获取多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据，并将所述风浪动力荷载输入三维有限元模型，将所述多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为所述三维有限元模型的边界条件，生成单桩基础动力响应结果；
计算模块，用于给定单桩基础极限状态，基于所述单桩基础动力响应结果与所述单桩基础极限状态确定单桩基础的易损性。
可选地，所述模拟模块，包括：
第一生成子模块，用于将所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据输入预设能量谱密度函数中，生成波浪谱密度函数和风速谱密度函数；
第二生成子模块，用于获取波浪初相位和波浪频率，利用所述波浪初相位、所述波浪频率以及所述波浪谱密度函数生成波面时间历程；
第三生成子模块，用于获取风速初相位与风速频率，利用所述风速初相位与所述风速频率以及所述风速谱密度函数生成风速时间历程。
可选地，所述第二生成子模块，包括：
第一等分单元，用于提取所述波浪谱密度函数的角频率范围，将所述角频率范围等分为多个波浪频率区间；
第一确定单元，用于基于所述角频率范围的上限与下限和波浪频率区间份数确定波浪等分间距；
第一获取单元，用于基于所述波浪初相位、所述波浪频率、所述波浪等分间距和所述波浪谱密度函数确定所述波面时间历程。
可选地，所述第三生成子模块，包括：
第二等分单元，用于提取所述风速谱密度函数的脉动风频率范围和风速幅角，将所述脉动风频率范围等分为多个风速频率区间；
第二确定单元，用于基于所述脉动风频率范围的上限与下限和风速频率区间份数确定风速等分间距；
第二获取单元，用于基于所述风速初相位、所述风速频率、所述风速幅角、所述风速等分间距和所述风速谱密度函数确定所述风速时间历程。
可选地，所述确定模块，包括：
获取子模块，用于获取空气密度、叶片扫掠面积和轴向传导系数，基于所述空气密度、所述叶片扫掠面积、所述轴向传导系数和所述风速时间历程确定风机叶片受力面的风荷载；
确定子模块，用于获取形状系数和塔架宽度，基于所述空气密度、所述形状系数、所述塔架宽度和所述风速时间历程确定塔架受力面的风荷载；
计算子模块，用于基于所述风机叶片受力面的风荷载和所述塔架受力面的风荷载生成所述风动力荷载。
可选地，所述确定模块，还包括：
获取拖曳力、柱体直径、海水密度、水质点运动的水平速度、拖曳力的系数、惯性力和惯性力的系数，基于所述波面时间历程、所述拖曳力、所述柱体直径、所述海水密度、所述水质点运动的水平速度、所述拖曳力的系数、所述惯性力和所述惯性力的系数确定所述波浪动力荷载。
可选地，所述计算模块，包括：
所述单桩基础的易损性的计算公式如下：
Figure 155504DEST_PATH_IMAGE005
上式中，P表示单桩基础的易损性，EDP表示单桩基础动力响应结果，LS表示单桩基 础极限状态，IM表示风浪动力荷载，Coef表示标定参数集合，
Figure 377538DEST_PATH_IMAGE006
表示标准正态分布的累 积分布函数，
Figure 383540DEST_PATH_IMAGE007
表示单桩基础动力响应结果的自然对数的数学期望，
Figure 677119DEST_PATH_IMAGE008
表示待标定的回归曲线标准差。
在本申请的第三个方面，还提出了一种计算机设备，包括处理器和存储器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述计算机程序包括程序，所述处理器被配置用于调用所述计算机程序，执行上述第一方面的方法。
在本申请的第四个方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行以实现上述第一方面的方法。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例1中一种海上风机单桩基础的易损性评估方法的流程图；
图2为本发明实施例1中步骤S101的流程图；
图3为本发明实施例1中步骤S1012的流程图；
图4为本发明实施例1中步骤S1013的流程图；
图5为本发明实施例1中步骤S102的流程图；
图6为本发明实施例1中海上风机单桩基础及其上部结构的示意图；
图7为本发明实施例1中波面时程模拟示意图；
图8为本发明实施例1中给定荷载重现期下的泥面处位移计算结果图；
图9为给定荷载重现期下的单桩基础年超越极限状态概率图；
图10为本发明实施例2中一种海上风机单桩基础的易损性评估装置的原理框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本实施例提供一种海上风机单桩基础的易损性评估方法，如图1所示，包括：
S101、采集海上风电场位置数据和风浪特征数据，根据上述海上风电场位置数据和上述风浪特征数据模拟风浪时间历程；其中，上述风浪时间历程包括波面时间历程和风速时间历程。
具体的，对单桩基础设计桩位处的海洋环境条件进行评估，主要评估风浪特征数 据，统计得到风浪特征数据，如参考高度处10分钟的平均风速（
Figure 327543DEST_PATH_IMAGE009
）和3小时以上统计波浪 的有效波高（
Figure 376270DEST_PATH_IMAGE010
）等，建立风浪特征数据重现期（Return Period，RP）与
Figure 213776DEST_PATH_IMAGE009
和
Figure 373362DEST_PATH_IMAGE010
等风浪 特征数据的关系。
S102、基于上述风浪时间历程确定风浪动力荷载；其中，上述风浪动力荷载包括波浪动力荷载和风动力荷载。
其中，基于上述波面时间历程确定上述波浪动力荷载；基于上述风速时间历程确定上述风动力荷载，风动力荷载分为：风机叶片受力面的风荷载和塔架受力面的风荷载。
S103、获取多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据，并将上述风浪动力荷载输入三维有限元模型，将上述多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为上述三维有限元模型的边界条件，生成单桩基础动力响应结果。
具体的，基于海上风机桩基础场地的岩土强度参数统计量及变异系数，随机采样 生成场地的岩土强度参数样本，将随机采样生成的岩土强度参数样本输入API规范（美国石 油学会推荐的《岩土与基础设计规范》）建议的非线性p-y曲线法模型，以估计桩基础侧向土 抗力，进而获取多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据；其中，岩土强度参数包括岩 土不排水抗剪强度S u ，有效重度
Figure 143872DEST_PATH_IMAGE011
、内摩擦角
Figure 35605DEST_PATH_IMAGE012
和粘聚力c等，岩土强度参数统计量包括岩 土强度参数的均值
Figure 750620DEST_PATH_IMAGE013
和变异系数（Coefficient Of Variation，COV）等。
进一步地，根据拟建风电场的海上风机及下层建筑设计参数，建立海上风机、塔架及单桩基础的三维有限元模型，该三维有限元模型用于计算输出单桩基础的动力响应结果；为提高计算效率，基于桩基础侧向土抗力估计弹簧的刚度，以离散的非线性弹簧代替桩周岩土体作为抗力边界条件，进而生成一系列给定风浪动力荷载（Intensity Measure，IM）和岩土强度参数条件下的海上风机桩基础动力响应结果（即单桩基础动力响应结果），将单桩基础动力响应结果作为工程需求参数（Engineering Demand Parameters，EDP），生成一系列（IM，EDP）作为标定数据库；
其中，岩土强度参数为随机采样生成，进而充分考虑海洋土的不确定性。
S104、给定单桩基础极限状态，基于上述单桩基础动力响应结果与上述单桩基础极限状态确定单桩基础的易损性。
具体的，根据规范或者工程师经验给定海上风机单桩基础破坏的极限状态（LimitState，LS），如承载能力极限状态或正常使用极限状态，利用Cloud Analysis法（云点分析法）计算设计单桩基础的易损性，即超越给定极限状态的概率。
进一步地，Cloud Analysis法基于回归概率模型来估计在给定强度参数（Intensity Measure，IM）条件下的工程需求参数（即单桩基础动力响应结果），强度参数包括不同强度等级的风浪荷载，工程需求参数包括单桩基础泥面处的转角、塔架顶部水平位移等，进而根据上述强度参数与工程需求参数标定回归概率模型的系数，回归概率模型的计算公式如下所示：
Figure 589263DEST_PATH_IMAGE014
Figure 341843DEST_PATH_IMAGE015
上式中，E[ln(EDP|IM)]表示给定强度参数条件下工程需求参数的自然对数的数 学期望，简化表示为
Figure 342160DEST_PATH_IMAGE016
，lna和b表示待标定的未知参数，
Figure 810050DEST_PATH_IMAGE017
表示待标定的回 归曲线标准差，ln(EDP|IM)表示给定强度参数条件下工程需求参数的自然对数，n表示单桩 基础有限元模型输出的动力响应结果数。
进一步地，D={[IM i ,(EDP|IM) i ],i=1:n}，利用最小二乘法使离差平方和最小，进而 标定未知参数lna、b和
Figure 921226DEST_PATH_IMAGE017
，输入标定后的参数lna、b和
Figure 525382DEST_PATH_IMAGE017
即可得到该海上 风机单桩基础在任意给定强度参数条件下的工程需求参数估计值，估计超过给定极限状态 的超越概率，即单桩基础的易损性，上述单桩基础的易损性的计算公式如下：
Figure 758917DEST_PATH_IMAGE018
上式中，P表示单桩基础的易损性，EDP表示单桩基础动力响应结果，LS表示单桩基 础极限状态，IM表示风浪动力荷载，Coef表示标定参数集合，Coef={lna，b，
Figure 323891DEST_PATH_IMAGE019
}，
Figure 628970DEST_PATH_IMAGE020
表示标准正态分布的累积分布函数，
Figure 963000DEST_PATH_IMAGE021
表示单桩基础动力响应结果的自然 对数的数学期望，
Figure 429753DEST_PATH_IMAGE019
表示待标定的回归曲线标准差。
上述一种海上风机单桩基础的易损性评估方法，基于海上风电场位置数据和风浪特征数据，模拟风浪时间历程，可以真实地模拟海上风机单桩基础所处海况，进而基于风浪时间历程确定风浪动力荷载，利用风浪动力荷载得到单桩基础动力响应，准确地反映了单桩基础的实际动力响应情况；并利用多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为三维有限元模型的边界条件，考虑了海洋土不确定性，进而计算单桩基础的易损性，使得对单桩基础的易损性分析更加精确，最后利用三维有限元模型可直观地计算出海上风机单桩基础在不同强度荷载等级的情况下，设计服役期内的失效概率，即易损性，进而为不同应用场景下的单桩基础提供可靠分析数据。
优选地，如图2所示，步骤S101中上述根据上述海上风电场位置数据和上述风浪特征数据模拟风浪时间历程，包括：
S1011、将上述海上风电场位置数据和上述风浪特征数据输入预设能量谱密度函数中，生成波浪谱密度函数和风速谱密度函数。
其中，基于波浪谱密度函数和风速谱密度函数，采用谐波叠加法得到随机的风速时间历程与波面时间历程以模拟实际海洋环境，其中风速时间历程与波面时间历程本质为时域内的随机过程。
其中，由于风速沿高程形成风速剖面，各高程处的风湍流存在相干性，为考虑风的 相干性，引入相干系数，当仅考虑垂直向相干性时，相干系数
Figure 482023DEST_PATH_IMAGE022
的计算公式如下所示：
Figure 262897DEST_PATH_IMAGE023
式中，
Figure 779329DEST_PATH_IMAGE024
和
Figure 354667DEST_PATH_IMAGE025
分别为考虑风的相干性时风速时程模拟第i点和第j点的高程（即风 浪特征数据）。
进一步地，引入上述相干系数
Figure 18866DEST_PATH_IMAGE026
，多点的风能量谱密度函数可由下式计算：
Figure 541115DEST_PATH_IMAGE027
式中，S w,ij(w) 为互功率谱密度函数，用于考虑各风速模拟点的相关性，S w,ii(w) 为第i点的自功率谱密度函数，S w,jj(w) 为第j点的自功率谱密度函数。
S1012、获取波浪初相位和波浪频率，利用所述波浪初相位、所述波浪频率以及所述波浪谱密度函数生成波面时间历程。
S1013、获取风速初相位与风速频率，利用所述风速初相位与所述风速频率以及所述风速谱密度函数生成风速时间历程。
优选地，如图3所示，步骤S1012中上述利用所述波浪初相位、所述波浪频率以及所述波浪谱密度函数生成波面时间历程，包括：
S10121、提取上述波浪谱密度函数的角频率范围，将上述角频率范围等分为多个波浪频率区间。
具体的，设波浪谱密度函数分布得角频率范围
Figure 708791DEST_PATH_IMAGE028
，将角频率范围等分成N 1 个区间（即波浪频率区间），N 1 取一足够大的正整数（不小于1000）。
S10122、基于上述角频率范围的上限与下限和波浪频率区间份数确定波浪等分间距。
具体的，波浪等分间距
Figure 658292DEST_PATH_IMAGE029
的计算公式如下所示：
Figure 481892DEST_PATH_IMAGE030
上式中，
Figure 669815DEST_PATH_IMAGE031
表示角频率范围的上限，
Figure 832943DEST_PATH_IMAGE032
表示角频率范围的下限，
Figure 77980DEST_PATH_IMAGE033
表 示波浪频率区间。
S10123、基于上述波浪初相位、上述波浪频率、上述波浪等分间距和上述波浪谱密度函数确定上述波面时间历程。
其中，对于波面时程（即波面时间历程）模拟，根据海浪模型，固定点的波面表达式为：
Figure 326558DEST_PATH_IMAGE034
上式中，
Figure 987347DEST_PATH_IMAGE035
表示波浪振幅，
Figure 395194DEST_PATH_IMAGE036
表示波浪角频率，
Figure 420919DEST_PATH_IMAGE037
表示0~2
Figure 281428DEST_PATH_IMAGE038
之间均匀分布的初 相位，模拟时间为t。
进一步地，设待模拟的波浪谱密度函数为
Figure 949170DEST_PATH_IMAGE039
，为避免周期性，在
Figure 211524DEST_PATH_IMAGE040
内 任意选取
Figure 470467DEST_PATH_IMAGE041
随机数作为第i个组成波的频率，将代表N 1 个区间的波能量的N 1 个余弦波叠加 起来，即基于谐波叠加法原理，得到模拟的波浪波面时程：
Figure 693638DEST_PATH_IMAGE042
需要说明的是，该波面时程为随机过程，每次在给定时间域内进行模拟都会采样到不同的结果。
优选地，如图4所示，步骤S1013中对上述利用所述风速初相位与所述风速频率以及所述风速谱密度函数生成风速时间历程，包括：
S10131、提取上述风速谱密度函数的脉动风频率范围和风速幅角，将上述脉动风频率范围等分为多个风速频率区间。
具体的，将脉动风频率范围等分为N 2 个（不小于1000）风速频率区间，N 2 表示风速频率区间份数。
S10132、基于上述脉动风频率范围的上限与下限和风速频率区间份数确定风速等分间距。
具体的，风速等分间距
Figure 758546DEST_PATH_IMAGE043
的计算公式如下所示：
Figure 750772DEST_PATH_IMAGE044
上式中，
Figure 774092DEST_PATH_IMAGE045
表示脉动风频率范围的上限，
Figure 281297DEST_PATH_IMAGE046
表示脉动风频率范围的下限。
S10133、基于上述风速初相位、上述风速频率、上述风速幅角、上述风速等分间距和上述风速谱密度函数确定上述风速时间历程。
具体的，设待模拟的风速谱密度函数为
Figure 25262DEST_PATH_IMAGE047
，基于谐波叠加法，风速时间历程 得计算公式如下所示：
Figure 996629DEST_PATH_IMAGE048
上式中，j表示风速时程模拟点的个数，
Figure 800637DEST_PATH_IMAGE049
表示风速频率区间，在
Figure 795138DEST_PATH_IMAGE050
内任意选取随机数取
Figure 470357DEST_PATH_IMAGE051
作为第m个模拟点的第
Figure 437176DEST_PATH_IMAGE052
个组成风谱的频率，
Figure 802298DEST_PATH_IMAGE053
表示功率谱密度函数
Figure 221778DEST_PATH_IMAGE054
的Cholesky分解（Cholesky分解是把一个对称正定 的矩阵表示成一个下三角矩阵L和其转置的乘积的分解），其计算公式如下所示：
Figure 697759DEST_PATH_IMAGE055
上式中，
Figure 519085DEST_PATH_IMAGE056
表示
Figure 984002DEST_PATH_IMAGE057
的转置矩阵。
进一步地，
Figure 687516DEST_PATH_IMAGE058
表示
Figure 967188DEST_PATH_IMAGE057
的幅角，其计算公式如下所示：
Figure 908599DEST_PATH_IMAGE059
优选地，如图5所示，步骤S102中上述基于上述风浪时间历程确定风浪动力荷载，包括：
S1021、获取空气密度、叶片扫掠面积和轴向传导系数，基于上述空气密度、上述叶片扫掠面积、上述轴向传导系数和上述风速时间历程确定风机叶片受力面的风荷载。
其中，风机叶片受力面的风荷载的计算公式如下所示：
Figure 615524DEST_PATH_IMAGE060
上式中，F wind,R 表示风机叶片受力面的风荷载，C T 表示轴向传导系数，
Figure 9596DEST_PATH_IMAGE061
表示空气 密度，A R 表示叶片扫掠面积，
Figure 827379DEST_PATH_IMAGE062
表示作用于风机轮毂处的风速时间历程。
S1022、获取形状系数和塔架宽度，基于上述空气密度、上述形状系数、上述塔架宽度和上述风速时间历程确定塔架受力面的风荷载。
其中，塔架受力面的风荷载的计算公式如下所示：
Figure 92138DEST_PATH_IMAGE063
上式中，F wind,T 表示塔架受力面的风荷载，C s 表示形状系数，D表示塔架宽度，z表示 塔架至海水水平面之间的距离，
Figure 969965DEST_PATH_IMAGE064
表示作用于塔架的风速时间历程。
S1023、基于上述风机叶片受力面的风荷载和上述塔架受力面的风荷载生成上述风动力荷载。
具体的，将上述风机叶片受力面的风荷载和上述塔架受力面的风荷载相加，生成风动力荷载。
优选地，步骤S102中上述基于上述风浪时间历程确定风浪动力荷载，还包括：
S1024、获取拖曳力、柱体直径、海水密度、水质点运动的水平速度、拖曳力的系数、惯性力和惯性力的系数，基于上述波面时间历程、上述拖曳力、上述柱体直径、上述海水密度、上述水质点运动的水平速度、上述拖曳力的系数、上述惯性力和上述惯性力的系数确定上述波浪动力荷载。
具体的，假设波浪对柱体的作用主要是由黏滞效应和附加质量效应引起的，即作用在柱体上的波浪力由两部分构成：一为同加速度成正比的惯性力，二为同速度的平方成正比的拖曳力，则波浪动力荷载的计算公式如下所示：
Figure 851333DEST_PATH_IMAGE066
上式中，
Figure 144911DEST_PATH_IMAGE067
表示拖曳力，
Figure 922899DEST_PATH_IMAGE068
表示柱体直径，
Figure 581413DEST_PATH_IMAGE069
表示海水密度，
Figure 74711DEST_PATH_IMAGE070
表示水质点运动 的水平速度，
Figure 844084DEST_PATH_IMAGE071
表示拖曳力的系数，
Figure 739228DEST_PATH_IMAGE072
表示惯性力，
Figure 365381DEST_PATH_IMAGE073
表示惯性力的系数，
Figure 221342DEST_PATH_IMAGE074
表示水质 点运动的加速度。
其中，基于线性波浪理论，水质点运动的水平速度
Figure 184619DEST_PATH_IMAGE075
的计算公式如下所示：
Figure 278477DEST_PATH_IMAGE076
上式中，k表示波浪波数，h表示波面时间历程，
Figure 669007DEST_PATH_IMAGE077
表示水深、T表示波周期。
其中，水质点运动的加速度
Figure 543422DEST_PATH_IMAGE078
的计算公式如下所示：
Figure 185756DEST_PATH_IMAGE079
上式中，t表示波面时程的模拟时长，
Figure 789912DEST_PATH_IMAGE080
表示模拟点的位置。
进一步地，基于上述风浪特征数据的重现期与
Figure 226710DEST_PATH_IMAGE081
和
Figure 650738DEST_PATH_IMAGE082
等风浪特征数据的关系， 采用上述处理方法，可以得到不同风浪特征数据重现期的风浪动力荷载。
下面以某海上风机单桩基础案例来一种海上风机单桩基础的易损性评估方法的。
如图6所示，展示了海上风机的零部件，1为单桩基础、2为连接段、3为平台、4为塔架、5为机舱、6为叶片和7为轮毂；基于上述图6，某一海上风机单桩基础及其上部结构受到风浪荷载的共同作用，其主要尺寸为：桩基础嵌固深度为L p =24m（米），桩径为D=6.2m，平均壁厚t=80mm（毫米），5MW（兆瓦）三叶片风机的风轮半径为63m，轮毂半径1.8m，平均水平面至风机轮毂垂直距离为h t =85m，塔筒底部直径为5.6m，顶部直径为4m，平均壁厚为60mm，平均水深d w =25m，塔筒及单桩基础所用的材料为钢材，弹性模量为210GPa（帕），密度为7850kg/m3（千克/立方米），利用上述参数对海上风机单桩基础的易损性进行分析的步骤如下：
（1）经过前期监测，该单桩基础所处海洋环境的风浪特征数据与重现期的关系如下式所示：
Figure 831184DEST_PATH_IMAGE083
Figure 961951DEST_PATH_IMAGE084
上式中，
Figure 694283DEST_PATH_IMAGE082
为波浪的有效波高（m），
Figure 480974DEST_PATH_IMAGE081
为风机轮毂处10分钟平均风速（m/s），RP 为重现期（年）。
（2）波浪谱采用DNV-OS-J101规范推荐的JONSWAP谱（随机波浪谱）密度函数，其表达式如下：
Figure 327095DEST_PATH_IMAGE085
Figure 577947DEST_PATH_IMAGE086
上式中，a为菲利普斯常数，g为重力加速度（m/s，米/秒），f为谱频率（Hz，赫兹），f p 为峰值谱频率（Hz），s为峰形参数，g为谱峰升高因子，相关参数按规范DNV-OS-J101取值。
风速谱采用DNV-OS-J101规范推荐的Kaimal谱密度函数（卡曼谱密度函数），其表达式如下：
Figure 356547DEST_PATH_IMAGE087
上式中，
Figure 755168DEST_PATH_IMAGE088
为风速的标准差（m/s）；L k 为紊流积分尺度；
Figure 277416DEST_PATH_IMAGE089
输入风机轮毂处10分 钟平均风速，即
Figure 710671DEST_PATH_IMAGE090
。
基于风浪能量谱密度函数和步骤（1）中的不同重现期的风浪特征数据，采用谐波叠加法，得到随机的风速时间历程与波面时间历程以模拟实际海洋环境；设计风模拟频率范围为0~4p rad/s（转/每秒），波浪模拟频率范围为0.1~1.1rad/s，波面时程和风速时程的模拟时长均为600s，图7展示了重现期为100年时的波面时程示意图。
（3）根据国内外相关规范，基于步骤（2）中模拟的波面时程和风速时程，计算得到作用于风机桩基础的风浪动力荷载。其中风荷载应分为两个部分，一是风机叶片受力面的风荷载，二是塔架受力面上的风荷载，计算公式分别如下：
Figure 456910DEST_PATH_IMAGE091
Figure 218193DEST_PATH_IMAGE092
上式中，F wind,R 表示风机叶片受力面的风荷载，C T 表示轴向传导系数，
Figure 668766DEST_PATH_IMAGE093
表示空气 密度，取1.293kg/m3，AR表示叶片扫掠面积，
Figure 566315DEST_PATH_IMAGE094
表示作用于风机轮毂处的风速时间历程，F wind,T 表示塔架受力面的风荷载，C s 表示形状系数，取1.2，D表示塔架宽度，z表示塔架至海 水水平面之间的距离，
Figure 811351DEST_PATH_IMAGE095
表示作用于塔架的风速时间历程。
对于波浪荷载，假设波浪对柱体的作用主要是由黏滞效应和附加质量效应引起的，即作用在柱体上的波浪力由两部分构成：一为同加速度成正比的惯性力，二为同速度的平方成正比的拖曳力，根据规范，作用于海上风机单桩基础整个柱高上的水平波浪力合力F wave 为：
Figure 122247DEST_PATH_IMAGE096
上式中，
Figure 986298DEST_PATH_IMAGE097
表示拖曳力，
Figure 128566DEST_PATH_IMAGE098
表示柱体直径，
Figure 419870DEST_PATH_IMAGE099
表示海水密度，
Figure 280379DEST_PATH_IMAGE100
表示水质点运动 的水平速度，
Figure 744858DEST_PATH_IMAGE101
表示拖曳力的系数，
Figure 616999DEST_PATH_IMAGE102
表示惯性力，
Figure 469418DEST_PATH_IMAGE103
表示惯性力的系数，
Figure 427009DEST_PATH_IMAGE104
表示水质 点运动的加速度，根据《海港水文规范》取
Figure 772145DEST_PATH_IMAGE101
=1.2，
Figure 764372DEST_PATH_IMAGE103
=2.0。
（4）基于海上风机单桩基础场地的岩土强度参数统计量及变异系数，随机采样生 成场地的岩土强度参数样本；假设该单桩基础嵌固于单层黏土中，不排水抗剪强度S u 和有 效重度
Figure 787691DEST_PATH_IMAGE105
，均值分别为25kPa和7kN/m3，S u 和
Figure 29317DEST_PATH_IMAGE105
的变异系数分别取0.3和0.05，假设S u 和
Figure 38861DEST_PATH_IMAGE105
均 服从正态分布，随机采样一定数量的S u 和
Figure 10228DEST_PATH_IMAGE105
，将随机采样生成的岩土强度参数样本输入API 建议的适用于黏土的非线性p-y曲线法模型，以估计桩基础侧向土抗力，任意埋深X处的单 桩基础侧向承载力p u 可由下式计算：
Figure 814236DEST_PATH_IMAGE106
上式中，J为经验系数，对于黏土可取0.5，单桩基础的侧向土抗力P将随桩侧向变形y而趋近于承载力p u ，以有效反映桩身变形过程中土体的非线性特征，即p-y曲线法，具体按规范取值。
（5）根据拟建风电场的海上风机、塔架和单桩基础等设计参数，建立海上风机、塔架及单桩基础的三维有限元模型；间距为1m的离散非线性弹簧代替桩周岩土体作为抗力边界条件，施加步骤（3）中形成的风浪荷载作用于有限元模型，作为荷载边界条件。
（6）重复步骤（2）~（5），等间距采样对数条件下的荷载重现期为0年至4年间的200个点，并于随机采样的200组岩土体强度参数组合，形成200个有限元计算文件，批量计算。计算得到200组给定风浪荷载和岩土强度参数条件下的海上风机桩基础动力响应结果，即200组（IM，EDP）。本实例取海上风机单桩基础泥面处的位移作为工程需求参数。
（7）采用海上风机单桩基础破坏的正常使用极限状态，取单桩基础泥面处最大转 角为极限状态，为方便计算，可将泥面处转角等价为泥面处水平位移；图8展示了200组泥面 处水平位移与重现期的散点分布及回归概率模型，经过线性回归，lna和b标定结果分别为- 4.0517和0.2144，
Figure 136633DEST_PATH_IMAGE107
标定结果为0.2705，基于上述参数，利用Cloud Analysis法 计算该单桩基础超越给定极限状态的概率，图9展示了在给定三种正常使用极限状态，即泥 面处转角分别为0.5°、0.25°和0.15°时，该单桩基础在给定重现期的风浪荷载条件下的年 超越概率。
由图可以看出，基于单桩基础的正常使用极限状态，即以单桩基础泥面处最大转角为0.5°为极限状态时，重现期在100年以内的荷载导致的单桩基础年超越概率较小。
实施例2
本施例提供一种海上风机单桩基础的易损性评估装置，如图10所示，包括：
模拟模块101，用于采集海上风电场位置数据和风浪特征数据，根据上述海上风电场位置数据和上述风浪特征数据模拟风浪时间历程；其中，上述风浪时间历程包括波面时间历程和风速时间历程。
具体的，对单桩基础设计桩位处的海洋环境条件进行评估，主要评估风浪特征数 据，统计得到风浪特征数据，如参考高度处10分钟的平均风速（
Figure 481027DEST_PATH_IMAGE108
）和3小时以上统计波 浪的有效波高（
Figure 447846DEST_PATH_IMAGE109
）等，建立风浪特征数据重现期（Return Period，RP）与
Figure 281810DEST_PATH_IMAGE108
和
Figure 966869DEST_PATH_IMAGE109
等风浪 特征数据的关系。
确定模块102，用于基于上述风浪时间历程确定风浪动力荷载；其中，上述风浪动力荷载包括波浪动力荷载和风动力荷载。
其中，基于上述波面时间历程确定上述波浪动力荷载；基于上述风速时间历程确定上述风动力荷载，风动力荷载分为：风机叶片受力面的风荷载和塔架受力面的风荷载。
生成模块103，用于获取多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据，并将上述风浪动力荷载输入三维有限元模型，将上述多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为上述三维有限元模型的边界条件，生成单桩基础动力响应结果。
具体的，基于海上风机桩基础场地的岩土强度参数统计量及变异系数，随机采样 生成场地的岩土强度参数样本，将随机采样生成的岩土强度参数样本输入API规范（美国石 油学会推荐的《岩土与基础设计规范》）建议的非线性p-y曲线法模型，以估计桩基础侧向土 抗力，进而获取多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据；其中，岩土强度参数包括岩 土不排水抗剪强度S u ，有效重度
Figure 442850DEST_PATH_IMAGE110
、内摩擦角
Figure 264175DEST_PATH_IMAGE111
和粘聚力c等，岩土强度参数统计量包括岩 土强度参数的均值
Figure 800199DEST_PATH_IMAGE112
和变异系数（Coefficient Of Variation，COV）等。
进一步地，根据拟建风电场的海上风机及下层建筑设计参数，建立海上风机、塔架及单桩基础的三维有限元模型，该三维有限元模型用于计算输出单桩基础的动力响应结果；为提高计算效率，基于桩基础侧向土抗力估计弹簧的刚度，以离散的非线性弹簧代替桩周岩土体作为抗力边界条件，进而生成一系列给定强度参数（即风浪动力荷载，IntensityMeasure，IM）和岩土强度参数条件下的海上风机桩基础动力响应结果（即单桩基础动力响应结果），将单桩基础动力响应结果作为工程需求参数（Engineering Demand Parameters，EDP），生成一系列（IM，EDP）作为标定数据库；
其中，岩土强度参数为随机采样生成，进而充分考虑海洋土的不确定性。
计算模块104，用于给定单桩基础极限状态，基于上述单桩基础动力响应结果与上述单桩基础极限状态确定单桩基础的易损性。
具体的，根据规范或者工程师经验给定海上风机单桩基础破坏的极限状态（LimitState，LS），如承载能力极限状态或正常使用极限状态，利用Cloud Analysis法（云点分析法）计算设计单桩基础的易损性，即超越给定极限状态的概率。
进一步地，Cloud Analysis法基于回归概率模型来估计在给定强度参数（Intensity Measure，IM）条件下的工程需求参数（即单桩基础动力响应结果），强度参数包括不同强度等级的风浪荷载，工程需求参数包括单桩基础泥面处的转角、塔架顶部水平位移等，进而根据上述强度参数与工程需求参数标定回归概率模型的系数，回归概率模型的计算公式如下所示：
Figure 503712DEST_PATH_IMAGE113
Figure 393171DEST_PATH_IMAGE114
上式中，E[ln(EDP|IM)]表示给定强度参数条件下工程需求参数的自然对数的数 学期望，简化表示为
Figure 193637DEST_PATH_IMAGE115
，lna和b表示待标定的未知参数，
Figure 510349DEST_PATH_IMAGE116
表示待标定的 回归曲线标准差，ln(EDP|IM)表示给定强度参数条件下工程需求参数的自然对数，n表示单 桩基础有限元模型输出的动力响应结果数。
进一步地，D={[IM i ,(EDP|IM) i ],i=1:n}，利用最小二乘法使离差平方和最小，进而 标定未知参数lna、b和
Figure 31984DEST_PATH_IMAGE116
，输入标定后的参数lna、b和
Figure 521872DEST_PATH_IMAGE116
即可得到该海上风 机单桩基础在任意给定强度参数条件下的工程需求参数估计值，估计超过给定极限状态的 超越概率，即单桩基础的易损性，上述单桩基础的易损性的计算公式如下：
Figure 317789DEST_PATH_IMAGE117
上式中，P表示单桩基础的易损性，EDP表示单桩基础动力响应结果，LS表示单桩基 础极限状态，IM表示风浪动力荷载，Coef表示标定参数集合，Coef={lna，b，
Figure 930036DEST_PATH_IMAGE116
}，
Figure 811405DEST_PATH_IMAGE118
表示标准正态分布的累积分布函数，
Figure 839403DEST_PATH_IMAGE115
) 表示单桩基础动力响应结果的自然 对数的数学期望，
Figure 614461DEST_PATH_IMAGE116
表示待标定的回归曲线标准差。
上述一种海上风机单桩基础的易损性评估装置，基于海上风电场位置数据和风浪特征数据，模拟风浪时间历程，可以真实地模拟海上风机单桩基础所处海况，进而基于风浪时间历程确定风浪动力荷载，利用风浪动力荷载得到单桩基础动力响应，准确地反映了单桩基础的实际动力响应情况；并利用多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为三维有限元模型的边界条件，考虑了海洋土不确定性，进而计算单桩基础的易损性，使得对单桩基础的易损性分析更加精确，最后利用三维有限元模型可直观地计算出海上风机单桩基础在不同强度荷载等级的情况下，设计服役期内的失效概率，即易损性，进而为不同应用场景下的单桩基础提供可靠分析数据。
优选地，上述模拟模块101，包括：
第一生成子模块1011，用于将上述海上风电场位置数据和上述风浪特征数据输入预设能量谱密度函数中，生成波浪谱密度函数和风速谱密度函数。
其中，基于波浪谱密度函数和风速谱密度函数，采用谐波叠加法得到随机的风速时间历程与波面时间历程以模拟实际海洋环境，其中风速时间历程与波面时间历程本质为时域内的随机过程。
其中，由于风速沿高程形成风速剖面，各高程处的风湍流存在相干性，为考虑风的 相干性，引入相干系数，当仅考虑垂直向相干性时，相干系数
Figure 538555DEST_PATH_IMAGE119
的计算公式如下所示：
Figure 766274DEST_PATH_IMAGE120
式中，
Figure 801226DEST_PATH_IMAGE121
和
Figure 102894DEST_PATH_IMAGE122
分别为考虑风的相干性时风速时程模拟第i点和第j点的高程（即风 浪特征数据）。
进一步地，引入上述相干系数
Figure 322523DEST_PATH_IMAGE119
，多点的风能量谱密度函数可由下式计算：
Figure 178484DEST_PATH_IMAGE123
Figure 610602DEST_PATH_IMAGE124
式中，S w,ij(w) 为互功率谱密度函数，用于考虑各风速模拟点的相关性，S w,ii(w) 为第i点的自功率谱密度函数，S w,jj(w) 为第j点的自功率谱密度函数。
第二生成子模块1012，用于获取波浪初相位和波浪频率，利用所述波浪初相位、所述波浪频率以及所述波浪谱密度函数生成波面时间历程。
第三生成子模块1013，用于获取风速初相位与风速频率，利用所述风速初相位与所述风速频率以及所述风速谱密度函数生成风速时间历程。
优选地，上述第二生成子模块1012，包括：
第一等分单元10121，用于提取上述波浪谱密度函数的角频率范围，将上述角频率范围等分为多个波浪频率区间。
具体的，设波浪谱密度函数分布得角频率范围
Figure 235619DEST_PATH_IMAGE125
，将角频率范围等分成N 1 个区间（即波浪频率区间），N 1 取一足够大的正整数（不小于1000）。
第一确定单元10122，用于基于上述角频率范围的上限与下限和波浪频率区间份数确定波浪等分间距。
具体的，波浪等分间距
Figure 626149DEST_PATH_IMAGE126
的计算公式如下所示：
Figure 500564DEST_PATH_IMAGE127
上式中，
Figure 142898DEST_PATH_IMAGE128
表示角频率范围的上限，
Figure 481475DEST_PATH_IMAGE129
表示角频率范围的下限，
Figure 918273DEST_PATH_IMAGE130
表示 波浪频率区间。
第一获取单元10123，用于基于上述波浪初相位、上述波浪频率、上述波浪等分间距和上述波浪谱密度函数确定上述波面时间历程。
其中，对于波面时程（即波面时间历程）模拟，根据海浪模型，固定点的波面表达式为：
Figure 610810DEST_PATH_IMAGE131
上式中，
Figure 525676DEST_PATH_IMAGE132
表示波浪振幅，
Figure 249918DEST_PATH_IMAGE133
表示波浪角频率，
Figure 654355DEST_PATH_IMAGE134
表示0~2
Figure 159154DEST_PATH_IMAGE135
之间均匀分布的初 相位，模拟时间为t。
进一步地，设待模拟的波浪谱密度函数为
Figure 877712DEST_PATH_IMAGE136
，为避免周期性，在
Figure 128565DEST_PATH_IMAGE130
内 任意选取
Figure 235061DEST_PATH_IMAGE137
随机数作为第i个组成波的频率，将代表N 1 个区间的波能量的N 1 个余弦波叠加 起来，即基于谐波叠加法原理，得到模拟的波浪波面时程：
Figure 571364DEST_PATH_IMAGE138
需要说明的是，该波面时程为随机过程，每次在给定时间域内进行模拟都会采样到不同的结果。
优选地，上述第三生成子模块1013，包括：
第二等分单元10131，用于提取上述风速谱密度函数的脉动风频率范围和风速幅角，将上述脉动风频率范围等分为多个风速频率区间。
具体的，将脉动风频率范围等分为N 2 个（不小于1000）风速频率区间，N 2 表示风速频率区间份数。
第二确定单元10132，用于基于上述脉动风频率范围的上限与下限和风速频率区间份数确定风速等分间距。
具体的，风速等分间距
Figure 218246DEST_PATH_IMAGE139
的计算公式如下所示：
Figure 526868DEST_PATH_IMAGE140
上式中，
Figure 335424DEST_PATH_IMAGE141
表示脉动风频率范围的上限，
Figure 96706DEST_PATH_IMAGE142
表示脉动风频率范围的下限。
第二获取单元10133，用于基于上述风速初相位、上述风速频率、上述风速幅角、上述风速等分间距和上述风速谱密度函数确定上述风速时间历程。
具体的，设待模拟的风速谱密度函数为
Figure 219383DEST_PATH_IMAGE143
，基于谐波叠加法，风速时间历程得 计算公式如下所示：
Figure 510075DEST_PATH_IMAGE144
上式中，j表示风速时程模拟点的个数，
Figure 630478DEST_PATH_IMAGE145
表示风速频率区间，在
Figure 269269DEST_PATH_IMAGE145
内任意选取随机数取
Figure 867741DEST_PATH_IMAGE146
作为第m个模拟点的第
Figure 10009DEST_PATH_IMAGE147
个组成风谱的频率，
Figure 566893DEST_PATH_IMAGE148
表示功率谱密度函数
Figure 99505DEST_PATH_IMAGE149
的Cholesky分解（Cholesky分解是把一个对称正定的 矩阵表示成一个下三角矩阵L和其转置的乘积的分解），其计算公式如下所示：
Figure 626301DEST_PATH_IMAGE150
上式中，
Figure 764022DEST_PATH_IMAGE151
表示
Figure 350861DEST_PATH_IMAGE152
的转置矩阵。
进一步地，
Figure 308452DEST_PATH_IMAGE153
表示
Figure 904519DEST_PATH_IMAGE152
的幅角，其计算公式如下所示：
Figure 896746DEST_PATH_IMAGE154
优选地，上述确定模块102，包括：
获取子模块1021，用于获取空气密度、叶片扫掠面积和轴向传导系数，基于上述空气密度、上述叶片扫掠面积、上述轴向传导系数和上述风速时间历程确定风机叶片受力面的风荷载。
其中，风机叶片受力面的风荷载的计算公式如下所示：
Figure 326590DEST_PATH_IMAGE155
上式中，F wind,R 表示风机叶片受力面的风荷载，C T 表示轴向传导系数，
Figure 161691DEST_PATH_IMAGE156
表示空气 密度，A R 表示叶片扫掠面积，
Figure 171235DEST_PATH_IMAGE157
表示作用于风机轮毂处的风速时间历程。
确定子模块1022，用于获取形状系数和塔架宽度，基于上述空气密度、上述形状系数、上述塔架宽度和上述风速时间历程确定塔架受力面的风荷载。
其中，塔架受力面的风荷载的计算公式如下所示：
Figure 877023DEST_PATH_IMAGE158
上式中，F wind,T 表示塔架受力面的风荷载，C s 表示形状系数，D表示塔架宽度，z表示 塔架至海水水平面之间的距离，
Figure 946610DEST_PATH_IMAGE159
表示作用于塔架的风速时间历程。
计算子模块1023，用于基于上述风机叶片受力面的风荷载和上述塔架受力面的风荷载生成上述风动力荷载。
具体的，将上述风机叶片受力面的风荷载和上述塔架受力面的风荷载相加，生成风动力荷载。
优选地，上述确定模块102，还包括：
获取拖曳力、柱体直径、海水密度、水质点运动的水平速度、拖曳力的系数、惯性力和惯性力的系数，基于上述波面时间历程、上述拖曳力、上述柱体直径、上述海水密度、上述水质点运动的水平速度、上述拖曳力的系数、上述惯性力和上述惯性力的系数确定上述波浪动力荷载。
具体的，假设波浪对柱体的作用主要是由黏滞效应和附加质量效应引起的，即作用在柱体上的波浪力由两部分构成：一为同加速度成正比的惯性力，二为同速度的平方成正比的拖曳力，则波浪动力荷载的计算公式如下所示：
Figure 994639DEST_PATH_IMAGE066
上式中，
Figure 604612DEST_PATH_IMAGE160
表示拖曳力，
Figure 571431DEST_PATH_IMAGE161
表示柱体直径，
Figure 670974DEST_PATH_IMAGE162
表示海水密度，
Figure 90454DEST_PATH_IMAGE163
表示水质点运动 的水平速度，
Figure 566434DEST_PATH_IMAGE164
表示拖曳力的系数，
Figure 387760DEST_PATH_IMAGE165
表示惯性力，
Figure 330308DEST_PATH_IMAGE166
表示惯性力的系数，
Figure 361718DEST_PATH_IMAGE167
表示水 质点运动的加速度。
其中，基于线性波浪理论，水质点运动的水平速度
Figure 516756DEST_PATH_IMAGE163
的计算公式如下所示：
Figure 51642DEST_PATH_IMAGE168
上式中，k表示波浪波数，h表示波面时间历程，
Figure 430671DEST_PATH_IMAGE169
表示水深、T表示波周期。
其中，水质点运动的加速度
Figure 824743DEST_PATH_IMAGE167
的计算公式如下所示：
Figure 376947DEST_PATH_IMAGE170
上式中，t表示波面时程的模拟时长，
Figure 172865DEST_PATH_IMAGE171
表示模拟点的位置。
进一步地，基于上述风浪特征数据的重现期与
Figure 50691DEST_PATH_IMAGE172
和
Figure 463218DEST_PATH_IMAGE173
等风浪特征数据的关系， 采用上述处理方法，可以得到不同风浪特征数据重现期的风浪动力荷载。
实施例3
本施例提供一种计算机设备，包括存储器和处理器，处理器用于读取存储器中存储的指令，以执行上述任意方法实施例中的一种海上风机单桩基础的易损性评估方法。
本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
实施例4
本实施例提供一种计算机可读存储介质，所述计算机存储介质存储有计算机可执行指令，该计算机可执行指令可执行上述任意方法实施例中的一种海上风机单桩基础的易损性评估方法。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体（Read-Only Memory，ROM）、随机存储记忆体（Random Access Memory，RAM）、快闪存储器（Flash Memory）、硬盘（Hard Disk Drive，缩写：HDD）或固态硬盘（Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (8)

1.一种海上风机单桩基础的易损性评估方法，其特征在于，包括：
采集海上风电场位置数据和风浪特征数据，根据所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据模拟风浪时间历程；其中，所述风浪时间历程包括波面时间历程和风速时间历程；
基于所述风浪时间历程确定风浪动力荷载；其中，所述风浪动力荷载包括波浪动力荷载和风动力荷载；
获取多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据，并将所述风浪动力荷载输入三维有限元模型，将所述多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为所述三维有限元模型的边界条件，生成单桩基础动力响应结果；
给定单桩基础极限状态，基于所述单桩基础动力响应结果与所述单桩基础极限状态确定单桩基础的易损性；
所述根据所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据模拟风浪时间历程，包括：
将所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据输入预设能量谱密度函数中，生成波浪谱密度函数和风速谱密度函数；
获取波浪初相位和波浪频率，利用所述波浪初相位、所述波浪频率以及所述波浪谱密度函数生成波面时间历程；
获取风速初相位与风速频率，利用所述风速初相位与所述风速频率以及所述风速谱密度函数生成风速时间历程；
所述利用所述波浪初相位、所述波浪频率以及所述波浪谱密度函数生成波面时间历程，包括：
提取所述波浪谱密度函数的角频率范围，将所述角频率范围等分为多个波浪频率区间；
基于所述角频率范围的上限与下限和波浪频率区间份数确定波浪等分间距；
基于所述波浪初相位、所述波浪频率、所述波浪等分间距和所述波浪谱密度函数确定所述波面时间历程。
2.根据权利要求1所述的一种海上风机单桩基础的易损性评估方法，其特征在于，所述利用所述风速初相位与所述风速频率以及所述风速谱密度函数生成风速时间历程，包括：
提取所述风速谱密度函数的脉动风频率范围和风速幅角，将所述脉动风频率范围等分为多个风速频率区间；
基于所述脉动风频率范围的上限与下限和风速频率区间份数确定风速等分间距；
基于所述风速初相位、所述风速频率、所述风速幅角、所述风速等分间距和所述风速谱密度函数确定所述风速时间历程。
3.根据权利要求1所述的一种海上风机单桩基础的易损性评估方法，其特征在于，所述基于所述风浪时间历程确定风浪动力荷载，包括：
获取空气密度、叶片扫掠面积和轴向传导系数，基于所述空气密度、所述叶片扫掠面积、所述轴向传导系数和所述风速时间历程确定风机叶片受力面的风荷载；
获取形状系数和塔架宽度，基于所述空气密度、所述形状系数、所述塔架宽度和所述风速时间历程确定塔架受力面的风荷载；
基于所述风机叶片受力面的风荷载和所述塔架受力面的风荷载生成所述风动力荷载。
4.根据权利要求3所述的一种海上风机单桩基础的易损性评估方法，其特征在于，所述基于所述风浪时间历程确定风浪动力荷载，还包括：
获取拖曳力、柱体直径、海水密度、水质点运动的水平速度、拖曳力的系数、惯性力和惯性力的系数，基于所述波面时间历程、所述拖曳力、所述柱体直径、所述海水密度、所述水质点运动的水平速度、所述拖曳力的系数、所述惯性力和所述惯性力的系数确定所述波浪动力荷载。
5.根据权利要求1所述的一种海上风机单桩基础的易损性评估方法，其特征在于，所述基于所述单桩基础动力响应结果与所述单桩基础极限状态确定单桩基础的易损性，所述单桩基础的易损性的计算公式如下：
Figure 51342DEST_PATH_IMAGE001
上式中，P[·]表示单桩基础的易损性，EDP表示单桩基础动力响应结果，LS表示单桩基础极限状态，IM表示风浪动力荷载，Coef表示标定参数集合，
Figure 803398DEST_PATH_IMAGE002
表示标准正态分布的累积分布函数，
Figure 563543DEST_PATH_IMAGE003
表示单桩基础动力响应结果的自然对数的数学期望，
Figure 768260DEST_PATH_IMAGE004
表示待标定的回归曲线标准差。
6.一种海上风机单桩基础的易损性评估装置，其特征在于，包括：
模拟模块，用于采集海上风电场位置数据和风浪特征数据，根据所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据模拟风浪时间历程；其中，所述风浪时间历程包括波面时间历程和风速时间历程；
确定模块，用于基于所述风浪时间历程确定风浪动力荷载；其中，所述风浪动力荷载包括波浪动力荷载和风动力荷载；
生成模块，用于获取多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据，并将所述风浪动力荷载输入三维有限元模型，将所述多个岩土强度参数的单桩基础侧向土抗力数据作为所述三维有限元模型的边界条件，生成单桩基础动力响应结果；
计算模块，用于给定单桩基础极限状态，基于所述单桩基础动力响应结果与所述单桩基础极限状态确定单桩基础的易损性；
所述模拟模块，包括：
第一生成子模块，用于将所述海上风电场位置数据和所述风浪特征数据输入预设能量谱密度函数中，生成波浪谱密度函数和风速谱密度函数；
第二生成子模块，用于获取波浪初相位和波浪频率，利用所述波浪初相位、所述波浪频率以及所述波浪谱密度函数生成波面时间历程；
第三生成子模块，用于获取风速初相位与风速频率，利用所述风速初相位与所述风速频率以及所述风速谱密度函数生成风速时间历程；
所述第二生成子模块，包括：
第一等分单元，用于提取所述波浪谱密度函数的角频率范围，将所述角频率范围等分为多个波浪频率区间；
第一确定单元，用于基于所述角频率范围的上限与下限和波浪频率区间份数确定波浪等分间距；
第一获取单元，用于基于所述波浪初相位、所述波浪频率、所述波浪等分间距和所述波浪谱密度函数确定所述波面时间历程。
7.一种计算机设备，其特征在于，包括处理器和存储器，其中，所述存储器用于存储计算机程序，所述处理器被配置用于调用所述计算机程序，执行如权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。
8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机指令，其特征在于，所述计算机指令被处理器执行时实现如权利要求1-5中任一项所述方法的步骤。
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