基于监测数据利用响应面法进行风机桩土参数反演的方法与流程

本发明属于海上风力发电领域，涉及一种基于监测数据利用响应面法进行风机桩土参数反演的方法。

背景技术：

0、技术背景

1、在海上风机基础设计中，土体特性参数对结构承载力、整体刚度和运动变形影响很大，极大制约了海上风机基础设计工程量的优化。目前海上风电场地质勘查参数通常利用场区机位钻孔、静力触探方法结果，结合室内试验标定土体参数。由于海上风电场区域面积较大，地质条件普遍存在显著的离散性，外加风机机位数量较多、海洋环境复杂多变，难以保障风机机位安装范围内地质勘查参数的全面覆盖，导致海上风机状态监测结果与设计结果存在不同程度的差异。

2、在许多情况下，海上风机动力响应过程中涉及的可控变量(设计变量、环境变量)种类繁多类型复杂，将这些可控变量与海上风机结构响应联系起来的理论模型相当复杂，且在需要进行大量迭代设计优化时，通常会有极大的计算代价。然而，如果以经验方式获得有关因素与响应之间关系的信息，建立不同因素与响应间的简单数学关系，并进行模型验证，利用被验证的经验模型进行设计优化，则可以极大降低设计优化的难度并能显著提升设计迭代的效率。

3、目前，海上风电事业处于高速发展阶段，海上风机状态分析评估与设计优化需求显著。桩土相互作用是海上风电结构数值模型中最大的不确定来源，考虑到海上风电结构工况的复杂性，通过实测数据进行海上风电结构桩土相互作用模型修正，以降低模型中的不确定因素和保守估计、提升数值建模可靠性和精度，对未来海上风电结构设计及工程量优化有重要意义。

技术实现思路

1、本发明针对海上风电场风机桩土作用参数离散性大、传统模型计算迭代复杂的问题，提供一种基于监测数据利用响应面法进行海上风机桩-土作用参数反演优化的方法，旨在量化评估在位状态下海上风机的关键输入参数，达到海上风机状态分析评估和设计优化的目的。

2、本发明所采用的技术方案是：一种基于监测数据利用响应面法进行风机桩土参数反演的方法，包括以下步骤：

3、(1)选择参数试验设计方法，设计桩土相互作用参数试验，利用海上风机桩土相互作用数值模型进行海上风机模态频率计算，筛选敏感性参数，利用海上风机基础一阶特征频率构造目标函数，建立设计参数与目标函数的组合对应关系；

4、所述参数试验设计方法，包括但不局限于全因子设计法、中心复合设计法、d最优设计法、正交设计法和均匀设计法等；

5、所述参数试验设计，满足以下条件：选取的系统参数(试验因素)是必要的且对目标函数敏感；在系统参数变量的可能范围内能够提供试验点的合理分布；参数试验设计的取值合理，且计算尽量简单；选取的系统参数数量合适，避免计算代价过大；实际问题不要求对大量参数进行物理模型计算；

6、所述桩土相互作用参数试验，是指确定了海上风机桩土相互作用数值模型参数及其取值组合，利用参数试验设计，生成计算参数空间；

7、所述计算参数空间，是指通过上述参数试验设计生成的一系列参数组合集合；

8、所述海上风机桩土相互作用数值模型，包括但不限于api p-y曲线模型、实体有限元土本构模型、pisa模型等；

9、所述海上风机模态频率计算，是指利用数值方法或经验公式，基于上述参数试验设计得出的计算参数空间，进行海上风机模态频率计算；

10、所述敏感参数，包括拟分析机位的土体有效重度、内摩擦角、相对密度、桩土摩擦角、桩侧摩阻力极限值、承载力系数、单位桩端承载力极限值、不排水剪切强度等；

11、所述筛选敏感参数，是指通过控制参数变量，通过数值分析确定敏感参数与海上风机一阶模态频率的相关性的过程，不同敏感参数下风机一阶模态频率值差异在10-5量级以内时，可视为敏感参数对一阶模态频率不敏感；

12、所述目标函数为海上风机一阶频率的数值计算结果与监测数据识别的一阶模态频率结果差值的绝对值，表达式为：

13、

14、其中，fnum为海上风机一阶频率数值结果，遵循所选择的海上风机桩土相互作用数值模型，为利用监测数据识别出的一阶模态频率结果，为与fnum匹配的海上风机一阶频率结果，即满足公式2的最小值；

15、

16、其中，所述海上风机模态识别可采用包括但不限于子空间识别法，通过假定风机系统为近似线性拟稳态系统，获得确定阶次的模态频率和阻尼；

17、所述设计参数，是指计算过程中需要作为输入的桩土相互作用参数；

18、所述设计参数与目标函数的组合对应关系，是指人为关联计算参数空间中各组计算参数组合与对应的目标函数值，以此建立的对应关系；

19、(2)假定目标函数与设计参数间的响应面关系表达式，进行响应面拟合及可靠性验证。

20、所述目标函数与设计参数间的响应面关系表达式可定义为多项式型式，包括但不限于如下的二次多项式型式：

21、

22、其中，y为目标函数，xi、xj和xk为敏感参数(i≠j)，αi，αij，αk为响应面待定系数；

23、所述目标函数与设计参数间的响应面关系表达式，应在能描述系统参数-目标函数关系前提下尽可能简单，同时待定系数个数尽可能少；

24、进一步的，对照所述二次多项式型式，可定义变量：

25、

26、进一步的，通过提取系数向量，所述二次多项式型式形式可合并为：

27、y＝αz(5)

28、其中，y为目标函数向量，α为待定系数向量。

29、根据所述待拟合的响应面多项式型式，通过自定义不同幂次自变量组合，基于上述实施过程，即可将非线性参数拟合转化为线性拟合问题，进而采用线性拟合算法进行处理。

30、进一步的，可进行所述多项式型式的响应面拟合。所述拟合方法，包括但不限于如下线性最小二乘法：

31、

32、进一步的，选择步骤(1)中合适物理参数组合，对拟合结果进行测试。

33、假定步骤(1)中生产的计算参数空间包括n组计算参数组合，记用于拟合响应面模型的试验组数为nfit，则用于测试响应面模型的试验组数ntest为：

34、ntest＝n–nfit(7)

35、进一步的，根据拟合得出的设计参数与目标函数的对应关系，利用测试试验数据与对应的目标函数拟合结果的均方根误差e(mse)及二者决定系数r2，评估线性拟合可靠性，定义如下

36、

37、

38、其中，yi和分别为测试试验数据的原目标函数值、目标函数拟合结果；

39、进一步的，利用测试试验数据与拟合结果的均方根误差e及二者决定系数r2评估拟合优度，选择合适的试验数nfit；

40、所述合适的试验数，是指增加测试试验组数时，测试试验数据与拟合结果的均方根误差e不会进一步减小且二者决定系数r2不能进一步增大的最小测试试验组数值；

41、所述拟合得出的响应面模型应进行可靠性验证，响应面模型计算得出的一阶模态结果与数值模型计算结果差异应不超过预定义许可阈值。

42、所述差异可定义为响应面模型计算得出的一阶模态结果与数值模型计算结果差值与数值模型计算结果的比值；

43、所述许可阈值可取为绝对值不超过10％的百分比，可根据需要自行选取确定；

44、(3)假定参数服从特定的统计分布，基于监测数据分析结果，利用拟合得出的响应面模型，进行桩土作用参数反演分析。

45、所述反演分析方法中，可依据已有资料假定参数服从特定的统计分布，包括但不限于以初始设计参数为均值，变异系数为κx的正态分布：

46、

47、其中，σx＝κx0，如地质勘测结果中有相关参数统计结果，即采用相关结果；如不含相关结果，采用假定的分布参数进行参数反演。

48、所述监测数据分析结果，是指采用模态识别方法得出的海上风机模态结果；所述模态识别方法，包括但不限于随机子空间法、离散傅里叶变换法等；

49、所述反演分析是指采用搜索优化算法，包括但不限于网格搜索、随机搜索、bayes优化、梯度优化方法等，基于监测数据分析结果，结合响应面模型确定可使目标函数取值最小的参数值，即可视为反演得出的风机实际桩土作用参数值；

50、本发明的有益效果：

51、1、由于海洋环境复杂多变、海洋土参数离散性大，海上风机状态监测结果与设计结果可能存在较大差异，针对上述情况，本发明提出了一种基于监测数据利用响应面法进行海上风机桩土作用参数反演的方法。

52、2、本发明基于数值结果，采用参数试验方法，获得桩土作用参数与目标函数之间的关系，建立不同参数与目标函数的响应面关系，并进行模型验证，利用被验证的经验模型进行设计优化，极大降低设计优化的难度并显著提升设计迭代的效率。

53、3、本发明针对不同参数迭代初始值，利用拟合得出的响应面模型，结合监测数据分析结果，确定可使目标函数取值最小的参数值，即可视为风机在位状态下的实际桩土作用参数值，进而基于更新后的参数值评估风机的服役安全性。