船舶设计负荷随机不确定性建模和作业指导外文翻译资料

 2022-07-28 14:33:50

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船舶设计负荷随机不确定性建模和作业指导

Apostolos Papanikolaou a，E. Alfred Mohammed b，Spyros E. Hirdaris c，n

雅典国际技术大学，希腊船舶设计实验室

英国纽卡斯尔大学海洋科学与技术学院

cLloyd的注册集团有限公司，英国

摘要：

理解和量化不确定性是评估复杂工程结构和系统的性能，可靠性和风险的重要属性。从海军建筑的角度来看，对船舶的海上响应和波浪载荷有关的不确定性的考虑对于船舶设计的评估以及安全和有效的船舶作业是必要的。为此，通过使用可用的数值模型对大量数据进行高效处理和随机负载组合可能有助于建模假设的合理化，并支持在基于风险的船舶的背景下设计和决策标准的验证和验证设计。本文介绍了（a）使用交叉光谱组合方法对船舶结构的组合流体动力响应进行建模的最新进展;（b）实施用于发展现代决策支持系统的不确定性模型，作为船长的指导。

1.介绍

船舶设计和运行的主要目标是确保资产的安全和性能要求在所需的使用寿命期内最适合。这是由于海洋环境的随机性质而在不确定的条件下进行的。建模的不确定性可能会有所不同，并且与海谱的配方，海上响应的估计，流体动力学负载以及船主在随机和有时候决定和执行安全性的选择方面的各种假设的局限性有关 极端的环境条件。

在船舶波浪载荷和风险不利的船舶性能方面，人们普遍认识到，确定波浪诱发的海上响应和相关设计载荷的难度取决于其对全球和当地影响的理解，建模和验证 船体梁（ITTC，2011a; Hirdarisetal。2012）。从实践的角度来看，根据工程问题的具体情况，在海上安全的背景下，不确定性由基于可靠性的代码格式（例如Bitner-Gregersen等人2002）和导航指导概念（例如Spanos等人，2008 ; Bitner-Gregersen和Skjong，2009）。

例如，使用先进的随机负载组合技术，船体动力学（例如船舶灵活性，弓形火焰，细长度，前进速度）以及它们在时间和空间上的随机分布的合适的流体结构理想化对船舶设计保证是有用的。另一方面，近年来随着基于性能的标准的出现，人们越来越重视在决策支持系统（DSS）方面船舶和离岸结构的船上实时巡航的应用。后者被研究，开发和应用在广泛的范围内，旨在降低燃料消耗，并增加船舶的运行和航行安全性，以提高船舶对船运行的安全性，并在上下文中 （Nielsen等，2011）。

他在海事技术相关子主题中建模和实施不确定性的主题是巨大的，本文的目的不是确定可能用于整体工程评估的公司解决方案或分类方法（例如数学，实验或数值方法的组合）。 作者试图强调在船舶设计和作业有用工具的背景下理解和整合不确定性的重要性，详细阐述了有关最近研究工作的一些指示性例子。后者指的是：（a）为船舶结构的联合流体动力响应开发交叉光谱随机数学方法的重要性;（b）在决策支持系统（DSS）中执行不确定性模型作为指导船长。

  1. 近期进展综述

2.1、一般职权范围

在广义上，不确定性可以分为两类：（a）自然和物理，（b）认识论或知识。 因此，关于不确定性的信息可以通过随机变量在可靠性分析中引入。遗传不确定性代表一个数量的自然随机性，也称为固有或固有的不确定性，例如。波长随时间变化，不能减少或消除。认识不确定性是错误的，可以通过收集关于考虑数量的更多信息和改进测量方法来减少这些错误。这些不确定性可分为（a）相关数据，（b）相关统计数据（c）模型相关。由于用于测量数量的仪器和产生数据的模型的缺陷，出现数据不确定性。如果考虑到的量不是直接从测量中获得的，而是建立一些估计过程（例如有效波高），则不确定度的测量必须通过适当的方法与模型不确定性的估计相结合。统计学上的不确定性（通常也称为估计不确定度）是由于有限的信息，例如数量有限的观察数据以及由于用于评估分布参数的估计技术。模型的不确定性是由于事件的物理模型配方中的缺陷，简化和理想化以及用于表示不确定性的概率分布类型的选择。数量的准确性表明测量数量与真实值一致的程度。因此，指示系统误差（也称为偏差）和精度（或随机）误差至关重要。对于所考虑的数量，估计量的系统误差或偏差是指与数量的真实值的系统偏差。所考虑的量的精度是指随机变化，通常由标准偏差来总结。通常采用正态分布来描述精度。

近年来，国际牵引坦克会议（例如ITTC，2011b）大大有助于合理利用航空航天和ISO-GUM不确定性标准，为海事技术/科学界带来利益。 ISO-GUM ITTC提出的不确定性概念虽然不是完全统一的，但区分了两种类型的标准不确定性组合，即A类和B类。虽然这些类型不被视为在AIAA（1999,2003）下使用的随机和系统不确定性的替代品 ），它们根据其数值估计的方式分组。它们的推导是基于以下五个原则：

原则1：A类不确定性通过对统计方法应用于一系列重复测量的结果进行评估。B类不确定度是通过其他方式评估的比使用统计方法。

原则2：A型不确定度中的分量由均值的估计方差s2i或标准差si定义自由度nu;i的价值和数量，其中包括自由度的影响。

原理3：B类不确定度中的分量也由相应的方差近似，其中假定其存在。然而，B类组件的特征是可以被认为是基于过去经验和教育判断的可靠信息池获得的方差或标准差uj的数量。

原则4：现在，组合不确定度应该通过方差组合的常规方法来计算被称为传播不确定性的规律。

原则5：对于特定应用，组合不确定度应乘以覆盖因子以获得总体不确定性值。总体不确定性现在称为扩大不确定性。对于95％的置信水平，覆盖率系数为2。

当最终实验结果从少量个体数量的结果中获得时，最终的不确定性被称为合并标准不确定度uC（y）。测量结果的不确定性可以用相关的方差值和不确定性的传播规律进行评估

当需要测量结果来表达总体不确定性的时间间隔时，需要使用扩展的不确定度U，并且在最终结果中相关的可变性和具体的置信水平是必需的。这是通过将组合的标准不确定度乘以所谓的覆盖因子k，即k的值基于所需的置信度来选择。 通常在工程应用中95％或99％的置信水平是可以接受的。正态分布的相关k值分别为2和3。

2.2、波浪负荷预测的不确定性 - 最近的进展

波浪载荷的不确定性可分为线性流体动力学模型和线性流体力学模型计算的波浪载荷的不确定性以及与使用的非线性流体动力学模型有关的不确定性。 线性波载荷预测的不确定性是指波谱的形状，波散射图的选择，线性传递函数以及预测长期极值和人类行为的方法。波浪载荷预测中非线性模型的不确定性可能包括不同的下垂和弯曲弯矩，主要是由于非垂直船侧，以及砰击和鞭打对极限垂直弯矩的影响。

用于评估完整船舶结构的波浪负荷的传统方法假设海洋状态由当地风产生的波浪系统统治。然而，在许多情况下，海洋结构受到多个波浪系统的同步作用，在这种情况下，频谱表现出两个峰值。 当膨胀系统与风力发电波相结合时，可以观察到双峰波谱。例如，Teixeira和Guedes Soares（2009）已经证明，对于非限制性运营的交易船舶，波浪组合海洋状态的弯曲弯矩的长期分布与从海洋状态获得的简单组件。在他们的工作中，认识到双峰波谱可以对其产生重大影响固定和海上平台的设计和可操作性。他们认为重要的是评估单独损坏的船舶，因为碰撞和基础可能发生在具有膨胀主导海域的海域，并且机动性可能因事故而受到影响。

vanov（2009）提出了一种根据分类规则中规定的程序计算船体梁弯曲应力的方法，但是以概率术语。在这项工作中，静水和波浪引起的船体梁桁形和下垂载荷以概率格式呈现为一种现象，即使用双模式概率密度函数。总体船体载荷的概率分布根据构成变量分布规律的组成规则计算。Parunov和Ćorak（2010）调查了环境和操作不确定性对于假设刚性船体的集装箱船的长期极限垂直波浪弯矩的影响。由于垂直波弯矩的长期分布高度依赖于假定的环境和运行参数，因此考虑了它们的不同组合。结果在它们之间以及IACS规则垂直波弯矩中进行了比较。量化可能对基于可靠性的集装箱设计有用的统计参数。Shu和Moan（2008）研究了重型天气回避对VLCC和散货船沿中横断面的长期波浪诱发压力的影响。他们提出了一个实用的模型来考虑重型天气避免对沿中横断面的波浪压力的影响。

Jensen（2009）提出了关于波浪负载问题的有用随机程序的讨论，涵盖了从轻微线性到强非线性（分叉）问题的范围。对于所采用的方法，即（a）hermite变换，（b）临界波发生和（c）一阶可靠性方法（FORM）程序由船舶极端垂直波浪弯矩的结果说明。Jensen等人提出了另一个简化的程序，用于确定作用在包含瞬态载荷（如砰击和绿色水分效应）的集装箱船上的波浪大梁负荷的长期分布。 （2009年）。作者将高频瞬态负载与较低频率波导负载相结合，而整个简化解决方案则以封闭格式解决。显示对于非线性过程，可以使用FORM找到平均过境率的良好估计。在相同的工作中，确定了对极端弯矩的具体问题的FORM分析的显着性，但不是一般性的属性;相关联的可靠性指数与其他操作参数的固定值的有效波高成反比。如Jensen（2010）所指出的，这意味着通过引入显着波高的缩放，可以大大提高蒙特卡洛模拟的具体问题的计算效率。Gaidai等（2010）描述了一种用于预测在恶劣天气下运行的集装箱船上甲板上的极端鞭打应力的方法。对同一艘船舶，类似路线和类似季节月的两次不同航程分析了鞭响响应时间序列。应用两种不同的统计方法，并对极端反应估计进行比较。Parunov等人（2011年）调查了对不同类型的环境和操作不确定性的集装箱堆垛的长期分配。在这项工作中，研究的不确定性是（a）波浪散点图的选择，（b）避免天气的影响，（c）机动在恶劣天气中的影响，（d）预测方法长期极端砰击的压力。

2.3、不确定性和决策支持系统 - 基于风险的观点

通常，操作指导的基本方法建立在用于统计预测的组合理论震动模型和线性谱分析上。最近提出了新的操作指导程序的概念，以提高可靠性。许多新建船舶具有广泛的数据采集系统，用于连续监测发动机和船体性能，用于航行性能和评估等。通常，这种系统或者可以扩展到包括操作指导的程序，其中最重要的波浪引起的船舶极端反应和疲劳损伤累积的统计可以估计为船舶航行和速度的假设变化。关注基于目标的标准 - 例如Papanikolaou等人（2010年），Papanikolaou（2009年）和Skjong和Guedes Soares（2008年） - 意味着运营商指导系统的未来发展应基于引入概率和风险的方法的数值模型。Shigunov等人还概述了关于操作指导的基于风险的方法的进一步评论和讨论。（2010），Bitner-Gregersen和Skjong（2009）和Nielsen等人（2009年）。

目前在操作指导中的现有技术通常依赖于其中自动估计现场波浪环境的数学模型。欧盟FP7 WATER-BORNE项目“持续波动”（2011年）的持续发展是由发展可用于实时监测实际船舶响应和相关结构负荷以及天气变化和可能发生的变化的系统的驱动力。该研究计划支持这样一种观念，即负载预测的校准和准确和快速的简化数值模型的开发是必要的，以确保向船长提供足够的时间的信息和指导。例如，这在Nielsen等人的工作中得到进一步的调查和证明。（2009）和Nielsen和Stredulinksy（2010）。在这些研究中，研究了在恶劣天气下船舶存放的集装箱的水平加速度和货架故障模式。得出了可以用于获得固有的非线性船舶响应（如集装箱的货运力）的上行率的过程。还表明，基于一阶和二阶可靠性的制剂（FORM / SORM）和相关程序可能比更多的粗制模拟（例如蒙特卡罗）显着更快。Wolf和Rathje（2009）也认为甲板上集装箱堆叠的运动模拟。作者处理一个（精炼的）数值模型，从中可以获得关于作用在容器堆上的动力的知识。这项工作的数字结果和结果可能有助于确定关于集装箱和捆绑载荷的决策支持标准。Ito等人提出了关于船体梁疲劳损伤率的计算效率和操作者指导的计算效率的考虑。（2010）和Nielsen等人（2011年）。

通常，操作指导的基本方法仅在纯粹的数学模型的基础上建立，其中通常使用响应幅度运算符（RAO）给出的船舶的海上特征与使用线性光谱分析的现场海况信息相结合对未来的反应进行统计预测。然而，在推进船舶位置的海况参数的现场估计形成了尚未发现完美解决方案的关键和根本问题。为此，Nielsen和Stredulinksy（2010）和Nielsen和Jensen（2011）提出了一种操作指导新颖程序的概念。提出的程序的目的是增加给定指导的可靠性。因此，对未来响应级别的预测基于使用具有作为输入的估计海况参数的数学模型的综合模型，并且还使用所考虑的过去的测量值响应（一个或多个）。 这两项工作都包括对全尺寸运动测量的分析，该方法显示出有希望的结果。

最近一些研究工作尤其用于车载监测疲劳损伤率。已经开发了模型和程序来评估船体梁的短期（30分钟-3小时）决策支持（如尼尔森等人，2011）和长期航行规划的疲劳损伤累积（2010）。这些研究提出了测量和疲劳损伤率预测之间的比较，并获得了有希望的结果。由于与疲劳损伤分析相关的不确定性可能与预测期无关，因此应考虑采用基于风险的方法评估疲劳损伤率。直到现在还没有尝试，但是这些人的研究可能会获得想法。（2010）。

3、全波浪载荷组合采用交叉光谱法

确定波浪诱导设计载荷和相应效应的不确定性建模中存在的一个困难在于，负载随机分布在时间和空间上，甚至在随机过程的上下文中，其各自的设计极值出现在不同的时间。如Ayyub等人所建议的（2000），而概率方法可用于建立基于可靠性的船舶设计

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