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塔筒是海上风力机的重要组成部件,根据塔筒的结构特点,其通常存在屈服失效、屈曲失效和共振失效三种潜在的失效模式。塔筒的结构参数直接影响着塔筒结构的安全性和经济性,同时塔筒在结构尺寸、材料特性和环境载荷都存在着固有的不确定性。本文针对塔筒的结构特点,在极限载荷作用下对NREL海上单桩式5MW基准风机的塔筒结构在屈服、屈曲和共振三种潜在的失效模式下进行整体可靠度分析及优化设计。本文首先对塔筒结构参数的随机性进行概率描述,塔筒结构尺寸和材料特性参数服从正态分布,塔筒所受的极限载荷服从Gumbel分布。给出各段塔筒结构在屈服、屈曲和共振三种潜在失效模式下的极限状态函数,利用一阶可靠性分析方法JC法对各状态函数的可靠度进行求解,得到各段塔筒结构在单一失效模式下的可靠度。计算各极限状态函数间的相关系数,结合概率网络估算技术(PNET)求得塔筒结构在多种失效模式下整体的可靠度,并用蒙特卡罗模拟法(MCS)对可靠度分析结果进行对比验证,得出使用该方法得出的可靠度值具有一定的精度保证。其次,为了保证塔筒结构具有更好的安全性和经济性,对塔筒结构参数进行可靠度优化设计。将塔筒结构的质量作为目标函数,将各段塔筒结构的壁厚和塔筒结构顶部和底部的半径作为优化设计变量,基于屈服、屈曲和共振三种失效模式结构特性的可靠度要求作为约束条件。其中优化算法采用的是Polak-He优化算法,结构特性可靠度的计算采用的是JC法。最后,使用ANSYS软件对优化后的塔筒结构进行静力、屈曲和模态分析,得到优化后的塔筒结构在极限载荷作用下的结构特性。