本发明涉及船舶结构，具体涉及一种船载扫海灯结构在摇摆载荷作用下的时变可靠性分析方法。
背景技术：
1、本发明涉及海洋工程与船舶设备的可靠性分析领域，具体涉及一种船载扫海灯结构在摇摆载荷作用下的时变可靠性分析方法。扫海灯是一种船载设备，一般安装在舰桥顶部、船舷侧边等位置，固连在船体上，主要用于海上航行时照亮水面，帮助船舶在能见度较差的条件下探测水道、浮标、障碍物等或进行水面搜索作业，是船舶上的重要设备之一，在民用船舶、海军舰艇以及港口作业中发挥着重要作用。为了扩大照明的范围，扫海灯都配备有可以调节角度的装置，允许其在水平方向和竖直方向上进行角度的调整。但在恶劣的海洋环境下，船体会发生剧烈的摇摆运动，使固连在船体上的扫海灯结构容易损坏，从而对船舶的航行、作业等造成不可估量的影响。
2、海浪冲击会使船载扫海灯结构发生摇摆运动，但海浪的波高、频率等参数受到海风、船体几何外形等多种因素的影响，难以了量化海浪对船载设备的影响，且计算扫海灯结构的应力需要使用有限元方法，其计算所需的时间较长。本发明提出的方法专注于结合随机海浪模型、结构力学以及可靠性工程，高效地实现对船载扫海灯结构的时变可靠性分析，确保其在长时间处于恶劣环境下的稳定性和耐用性。
技术实现思路
1、本发明的目的在于一种船载扫海灯结构在摇摆载荷作用下的时变可靠性分析方法，能够计算扫海灯结构受到摇摆载荷时的时变可靠度。
2、本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：一种摇摆载荷下扫海灯结构的时变可靠性分析方法，包括如下步骤：
3、1.一种船载扫海灯结构的时变可靠性分析方法，包括如下步骤：
4、s1：根据各等级海况下的海浪波高与频率，建立不同海况等级下的海浪模型；
5、s2：根据船体的参数、航行参数与海浪模型建立扫海灯结构受到的摇摆载荷的模型；
6、s3：建立扫海灯结构强度的退化模型；
7、s4：建立摇摆载荷下扫海灯结构的瞬态响应联合仿真模型；
8、s5：建立扫海灯伺服结构的极限状态函数，并量化输入变量中的不确定性；
9、s6：根据所述量化结果，对各个输入变量进行试验设计进行随机抽样获得内层代理模型样本点集；
10、s7：根据所述内层代理模型样本点集、ansys仿真分析结果，建立扫海灯结构的内层代理模型；
11、s8：根据所述量化结果，对外层代理模型的各个输入变量进行试验设计进行随机抽样获得外层代理模型样本点集；
12、s9：根据所述外层代理模型样本点集、内层代理模型响应结果，建立扫海灯结构的外层代理模型；
13、s10：根据所述量化结果对外层代理模型的各个入变量进行试验设计进行随机抽样，计算外层代理模型响应结果，获得扫海灯结构时变可靠性分析样本点集；
14、s11：根据所述扫海灯结构时变可靠性分析样本点集的失效样本个数计算失效概率与可靠度。
15、所述海浪模型是由ittc单参数谱、长峰波随机海浪模型建立的，所述步骤s1包括：
16、s101：根据ittc单参数谱建立海浪波高与频率之间的关系：
17、
18、s102：根据各个等级海况下的海浪波高范围计算得到各个海况等级下海浪频率的概率密度函数。
19、s103：根据长峰波随机海浪模型将多个正弦波叠加得到海浪波形：
20、
21、s104：将船体遭遇的海浪正交分解为顺浪与横浪，顺浪的波形为：
22、
23、横浪的波形为：
24、
25、所述扫海灯受到的摇摆载荷模型由船体参数、航行参数计算得到的，所述步骤s2包括：
26、s201；考虑船速和浪向角的影响，根据遭遇到的海浪的频率计算得到船体的遭遇频率：
27、
28、s202：根据船体的参数计算得到船体的摇摆角度：
29、
30、s203：得到船体的摇摆角度可表达为：
31、
32、s204：从而得到船体摇摆角度曲线：
33、横摇曲线：
34、
35、纵摇角度曲线：
36、
37、所述步骤s3中，所述材料强度退化模型由指数模型构建而成，表达为σ(t)＝xσ·exp(-kσxy)，其中，xy为结构的使用年数，σ(t)为t时刻材料的剩余屈服强度，xσ为材料屈服强度的初始值，kσ为与退化性能有关的常数。
38、所述船载扫海灯结构仿真模型是通过ansys软件建立的，所述步骤s4包括：
39、s401：通过ansys软件建立船载扫海灯结构与船体替代结构的三维模型。
40、根据所述的三维模型、以及扫海灯结构的材料属性、边界条件、分析步和网格划分，获得扫海灯结构的仿真模型。
41、s402：建立matlab与ansys软件联合参数化仿真模型，在matlab软件中完成参数化仿真模型各个输入变量的生成以及摇摆载荷的生成，将各个参数化结果存储在命令流文件中，用ansys软件读取命令流文件、扫海灯结构仿真模型并进行仿真分析。
42、所述步骤s5包括：
43、s501：所述扫海灯伺服结构的极限状态函数为：
44、g＝g(x,y(t),t)＝σy(xσ,xy)-smax(xt,xl,y(t),t)
45、其中，g(x,y(t),t)表示结构的极限状态函数，σy(xσ,xy)表示结构的强度极限，smax表示通过ansys软件仿真得到的扫海灯结构的应力，xσ表示结构的初始强度，xy表示扫海灯结构已使用的时长，xt表示结构的尺寸参数，xl表示扫海灯结构在船首船尾方向上的安装位置，y(t)表示扫海灯结构受到的摇摆载荷，t表示时间参数。
46、s502：所述扫海灯结构的输入不确定性变量包括：扫海灯结构几何尺寸、材料属性、摇摆载荷、航行参数，分别采用随机变量、随机过程对响应的所述扫海灯结构的输入不确定性进行量化分析，得到所述量化结果。
47、所述试验设计与随机抽样是使用拉丁超立方方法进行试验设计的，所述步骤s6包括：
48、s601：对时间参数t在时间区间[0,te]内进行离散，得到nt1个离散时间点，使得：
49、
50、s602：用拉丁超立方方法对扫海灯结构的内层代理模型输入不确定性量化变量进行抽样，得到包括ns1个样本的样本池
51、s603：将样本池中的y(k)(t(j))转化为来表示，根据样本池中的样本点构建样本矩阵其中，样本矩阵第k层第j行的样本为
52、所述构建的内层代理模型是由kriging模型建立的，所述步骤s7包括：
53、s701：根据kriging模型计算样本矩阵中各个样本点的预测均值与预测标准差，预测值为：
54、
55、方差为：
56、
57、s702：用u学习函数判断判定内层代理模型是否需要增加样本点，计算每个样本点处的u学习函数值：
58、
59、s703：可选择地，增加的样本点为：
60、xnew＝argminu(x)
61、所述试验设计与随机抽样是使用拉丁超立方方法进行试验设计的，所述步骤s8包括：
62、s801：对时间参数t在时间区间[0,te]内进行离散，得到nt2个离散时间点，使得：
63、
64、s802：用拉丁超立方方法对扫海灯结构的外层代理模型输入不确定性量化变量进行抽样，得到包括ns2个样本的样本池
65、s803：根据样本池中的样本点构建样本矩阵其中，样本矩阵第k曾第j行的样本为
66、构建的外层代理模型是由kriging模型建立的，所述步骤s9包括：
67、s901：使用kriging模型计算样本矩阵中各个样本点下时间范围内内扫海灯结构的应力最大值，预测值为：
68、
69、方差为：
70、
71、所述步骤s10包括：
72、s1001：用拉丁超立方方法对扫海灯结构的极限状态函数输入不确定性量化变量以及时间进行抽样，得到包括ns3个样本的样本池：
73、
74、s1002：用根据样本池中的样本点构建样本矩阵其中，样本矩阵第i行的样本为：
75、
76、所述步骤s11包括：
77、s1101：计算样本矩阵中所有样本点的极限状态函数响应估计值：
78、
79、s1102：计算时间区间[0,te]内扫海灯结构的时变失效概率为：
80、
81、s1103：计算时间区间[0,te]内扫海灯结构的时变可靠度为：
82、
83、本发明具有以下有益效果：
84、本发明提出了一种扫海灯结构时变可靠性分析方法，能够量化不同等级海况下海浪产生的摇摆载荷，基于kriging代理模型建立了扫海灯结构时变可靠性分析模型，能够计算在海浪参数、结构参数、航行参数与退化参数存在不确定性的情况下船载扫海灯结构的时变可靠度，为海上作业的安全管理与维护决策提供了有力支持。
1.一种船载扫海灯结构的时变可靠性分析方法，其特征在于，包括如下步骤：
2.根据权利要求1所述的船载扫海结构的时变可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤s1中，海浪模型是由ittc(international towing tank conference,ittc)单参数谱、长峰波随机海浪模型建立的，所述步骤s1包括：
3.根据权利要求1所述的船载扫海结构的时变可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤s2中，扫海灯受到的摇摆载荷模型由船体参数、航行参数计算得到的，所述步骤s2包括：
4.根据权利要求1所述的船载扫海结构的时变可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤s5包括：
5.根据权利要求1所述的船载扫海结构的时变可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤s6中，所述试验设计与随机抽样是使用拉丁超立方方法进行试验设计的，所述步骤s6包括：
6.根据权利要求1所述的船载扫海结构的时变可靠性分析方法，所述步骤s7中，构建的内层代理模型是由kriging模型建立的，其特征在于，所述步骤s7包括：
7.根据权利要求1所述的船载扫海结构的时变可靠性分析方法其特征在于，所述步骤s8中，所述试验设计与随机抽样是使用拉丁超立方方法进行试验设计的，所述步骤s8包括：
8.根据权利要求1所述的船载扫海结构的时变可靠性分析方法，所述步骤s9中，构建的外层代理模型是由kriging模型建立的，其特征在于，所述步骤s9包括：
9.根据权利要求1所述的船载扫海结构的时变可靠性分析方法其特征在于，所述步骤s10中，所述试验设计与随机抽样是使用拉丁超立方方法进行试验设计的，所述步骤s10包括：
10.根据权利要求1所述的船载扫海结构的时变可靠性分析方法，其特征在于，所述步骤s11包括：
