技术领域本发明涉及一种海洋结构非零初始值动力响应频域改进方法，特别针对海上风电、海洋平台等结构，在设计或维护时需要考虑其初始条件影响的结构动力响应分析问题。
背景技术：
近年来各国越来越重视海洋资源的开发与利用，相继建造了许多诸如跨海大桥、海洋平台、海底油气管道、海底隧道、超大型浮体等海洋工程结构。这类结构容易在波、流、地震等外部荷载的作用下产生有害振动，严重时可能产生疲劳破坏、而且其施工难度大，养护维修费用高。因此，研究结构的动力响应，对海洋结构的设计与维护具有重要意义。对于海洋结构动力响应分析的研究，目前主要集中于发展比较成熟的时域和频域方法。传统的时域方法虽然可以考虑结构的初始条件，同时得到瞬态和稳态两部分解，但该类方法因需通过计算卷积导致分析效率相对较低；传统的频域方法是通过传递函数将输入荷载谱(FFT)与输出反应谱联系起来，解决了时域方法分析效率低的问题，但是却无法考虑初始条件或瞬态解对结构响应的影响；Mansur等人在经有限元方法将连续介质离散化的基于离散Fourier变换的频域动力分析过程中将初始条件考虑了进去，但因离散Fourier变换的应用导致其外荷载假设为周期性，与实际不符，不利于工程实际分析应用。在实际工程中，海洋结构由于环境荷载或自身重心不稳等影响必然会存在一定的初始条件，目前尚无专门针对海洋结构的频域内非零初始条件结构动力响应分析方法的研究。
技术实现要素：
本发明的目的是针对现有技术中存在的上述缺陷，为适应海洋结构动力响应分析时初始条件非零的工程实际，提出的一种海洋结构非零初始值动力响应频域改进方法，在工程上为大型海洋结构在设计、维护时提供一种更为通用的动力响应频域方法。为了达到上述目的，本发明提出海洋结构非零初始值动力响应频域改进方法，包括：S1、考虑初始条件的荷载重构：S11、构建结构运动方程；S12、标记初始条件影响项；S13、重构考虑初始条件的荷载：重构荷载＝原始外荷载+初始条件影响项；S2、低阶状态空间下获得极值、留数的值；S21、构建原始外荷载第m个分量：m＝1，2...，其中k＝0，1，…，Δt为时间步长，p为模态阶次，λn＝-αn+iωn、分别为极值与留数，且αn为阻尼系数，ωn为角频率，An为幅值，θn为相位；将原始外荷载构建成这种形式，其中λn可以为实数，亦可为复数，也就意味着原始外荷载可以为非周期性荷载。S22、构建Hankel矩阵；S23、获得极值与留数的值；通过在低阶状态空间求解特征值问题，数值计算更为稳定S3、重构荷载离散；S4、结构动力响应分析；进一步的，所述步骤S11中，构建的拉普拉斯域结构运动方程为：其中s＝i2πf，f为频率，M、K、C分别为结构的质量、刚度及阻尼矩阵，x(0)、分别为结构的初始位移、初始速度；U(s)、F(s)分别为动力响应、原始外载荷的拉普拉斯变换。进一步的，所述步骤S12中，在非零初始条件下标记初始条件影响项Fd，v(s)的对应形式为FIm＝Mx(0)，且Fd，v(s)＝sFIm+FRe，通过在Laplace域将原始外荷载F(s)与初始条件影响项Fd，v(s)同时考虑，并以新的重构荷载作为原结构的新的作用荷载，从而使结构动力分析时能够考虑因非零初始条件引起的瞬态响应。进一步的，所述步骤S3重构荷载离散包括以下步骤：S31、将步骤S21中对应的连续函数形式拉普拉斯变换，得在拉普拉斯域分析得到上述公式，可以回避傅里叶变换技术，即可以实现重构荷载以同分辨率离散至频域，达到在频域内考虑非零初始条件影响的目的。S32、根据步骤S23以及步骤S31获得离散后的原始外荷载；S33、离散初始条件影响项，获得最终重构荷载的离散形式。进一步的，所述步骤S32中，根据步骤S23和步骤S31可得Fk~,m+(fk~)=Σn=1pγni2πk~δf-λn,k~=0,1,...,-Nd2-1]]>其中，Nd为离散数据点数，δf频率间隔，得到离散后的原始外荷载为进一步的，所述步骤S33中，运用同分辨率δf将Fd，v(s)离散得到最终得到重构荷载的离散形式为现有技术仅限于λn、γn的求解困难并未见步骤S32的离散形式，尤其未涉及非零初始条件影响项的同分辨率离散。与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：1、考虑初始条件的荷载重构，并通过在Laplace域将原始外荷载F(s)与初始条件影响项Fd，v(s)同时考虑，并以新的重构荷载作为原结构的新的作用荷载，从而使结构动力分析时能够考虑因非零初始条件引起的瞬态响应；该方法在保证分析效率的同时，可以考虑到初始条件的影响，使海洋平台结构在动力分析时既做到高效率分析，也可观察由初始条件引起的平台结构动力响应的变化和瞬态动力响应；2、将原始外荷载写成步骤S21中的形式，其中λn可以为实数，亦可为复数，也就意味着原始外荷载可以为非周期性荷载，并且通过在低阶状态空间求解特征值问题，使数值计算更为稳定，从而，在工程上可为平台结构在设计、维护时提供一种更为通用的动力响应频域分析算法。附图说明图1为实施例中框架结构模型；图2为实施例中原始外荷载；图3为初始条件为零时本发明方法结果与传统时域方法对比图；图4为非零初始条件：(a)初始位移，(b)初始速度；图5为非零初始条件时本发明方法结果与传统时域方法对比图。具体实施方式本发明提供一种海洋结构非零初始值动力响应频域改进方法，该方法在保证分析效率的同时，可以考虑到初始条件的影响，使海洋平台结构在动力分析时既做到高效率分析，也可观察由初始条件引起的平台结构动力响应的变化和瞬态动力响应，下面结合具体的实施方式对本发明做进一步地说明。一种海洋结构非零初始值动力响应频域改进方法，包括：S1、考虑初始条件的荷载重构；S2、低阶状态空间下获得极值、留数的值；S3、重构荷载离散；S4、结构动力响应分析。对于步骤S1，具体实施步骤包括：S11、构建结构运动方程：其中s＝i2πf，f为频率，M、K、C分别为结构的质量、刚度及阻尼矩阵，x(0)、分别为结构的初始位移、初始速度；U(s)、F(s)分别为动力响应、原始外载荷的拉普拉斯变换；S12、标记初始条件影响项：在非零初始条件下标记初始条件影响项Fd，v(s)的对应形式为FIm＝Mx(0)，且Fd，v(s)＝sFIm+FRe；S13、重构考虑初始条件的荷载：F~(s)=F(s)+Fd,v(s)]]>Fd，v(s)＝sFIm+FRe；基于现有技术，由于F(s)在频域内的形式依赖于傅里叶变换技术，无法在频域内获得非零初始条件影响项的对应形式，从而，也就未见考虑初始条件的荷载重构。通过在Laplace域将原始外荷载F(s)与初始条件影响项Fd，v(s)同时考虑，并以新的重构荷载作为原结构的新的作用荷载，从而使结构动力分析时能够考虑因非零初始条件引起的瞬态响应。对于步骤S2，在低阶状态空间下获得极值、留数的值，具体包括：S21、构建原始外荷载第m个分量：m＝1，2...，其中k＝0，1，…，Δt为时间步长，p为模态阶次，λn＝-αn+iωn、分别为极值与留数，且αn为阻尼系数，ωn为角频率，An为幅值，θn为相位；将原始外荷载构建成这种形式，其中λn可以为实数，亦可为复数，也就意味着原始外荷载可以为非周期性荷载。S22、构建Hankel矩阵：式中α和β表示H(k)的行和列的个数，k＝0，1，......；S23、获得极值与留数的值；应用奇异值分解技术，得到的特征值为zn，n＝1，2，…，p，则可通过λn＝ln(zn)/Δt，最终可计算出复系数γn，n＝1，2，…，p；通过在低阶状态空间求解特征值问题，数值计算更为稳定。所述步骤S3重构荷载离散包括以下步骤：S31、将步骤S21中对应的连续函数形式拉普拉斯变换，得在拉普拉斯域分析得到上述公式，可以回避傅里叶变换技术，即可以实现重构荷载以同分辨率离散至频域，达到在频域内考虑非零初始条件影响的目的。S32、根据步骤S23以及步骤S31获得离散后的原始外荷载：Fk~,m+(fk~)=Σn=1pγni2πk~δf-λn,k~=0,1,...,-Nd2-1]]>其中Nd为离散数据点数，δf频率间隔。因此得到离散后的外荷载为S33、离散初始条件影响项，获得最终重构荷载的离散形式：运用同分辨率δf亦可将Fd，v(s)离散得到故而最终得到重构荷载的离散形式为虽然离散技术在数学应用上是一种常规技术，但是已有成果限于λn、γn的求解困难并未见步骤S32的离散形式，尤其未涉及非零初始条件影响项的同分辨率离散。S4、结构动力响应计算：参照传统频域动力响应方法，得到其中H(ω)为频率响应函数。对所得频域内的响应实施逆Fourier变换，即可得到结构在非零初始条件下时域内的动力响应U(t)。改变步骤S31中的m，即可得到任意位置在多输入下的结构动力响应。为了进一步说明本发明的应用效果，以导管架模型为例验证本发明方法的正确性和有效性。参考图1，该导管架模型共4层，2.4米高，最高处平面尺寸为0.375m×0.250m，最低位置处为0.675m×0.450m。四个桩腿的截面为14mm×1mm，其他撑杆均为10mm×1mm。弹性模量E＝2.1×1011N/m2，密度ρ＝7850kg/m3，泊松比ν＝0.3。其承受任意外荷载如图2，分别作用在节点7、8、11、12两个水平方向上；初始位移为x(0)，初始速度。按照本发明方法进行结构动力响应分析，分析结构如下：1)当所有初始条件为零时，本发明方法与传统时域方法对比见图3。可以看出，本发明可以解决初始条件为零时的结构运动响应分析问题，且初始条件为零时本发明稳态部分与传统时域方法结果一致，并且分析效率更优。2)当任意非零初始条件时，如图4；本发明方法与传统时域方法对比如图5。可以看出，在非零初始条件下时，本发明可以获得与时域方法一致的稳态解，且瞬态解部分结果吻合良好。因此拓展了传统频域方法的理论适用范围，并且由于是频率求解，降低了运算时间，提高了分析效率。综上，本发明提出一种能够处理非零初始条件的结构动力响应频域改进方法，该方法将克服传统频域算法仅限于稳态解的理论不足，其理论适用范围得到拓展。同时，较传统技术而言，其外荷载不再通过Fourier变换获得，避免了外荷载周期假设问题；尤其在重构荷载时将非零初始条件考虑进去，既能保证分析效率、又能分析结构的瞬态响应，不仅在理论上克服了传统频域方法无法施加初始条件，以及原始外荷载需基于周期性谐波假设的不足；工程上也为带有初始条件的大型海洋结构动力响应分析提供了一种更为通用、高效的频域方法，工程应用前景广阔。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。