基于空气动力学-流体动力学-伺服弹性-地震耦合方法对TLP浮式海上风力涡轮机动态响应的研究

《Ocean Engineering》：Research on the dynamic response of TLP floating offshore wind turbine based on aerodynamic-hydrodynamic-servo-elastic-earthquake coupling method

漂浮式海上风力涡轮机（FOWT）在风浪地震耦合载荷下的动态响应分析方法研究。通过集成FAST和ABAQUS软件平台，建立多物理场耦合分析框架，验证方法可靠性后分析5MW TLP结构在风浪与地震联合作用下的结构响应，探讨不同工况下的动态特性及风浪对地震响应的耦合影响。

　　随着全球对低碳能源系统的关注日益增加，风能作为可再生能源的重要组成部分，正在成为推动可持续发展的重要力量。特别是在海洋环境中，海上风电技术因其稳定的风资源和较高的发电效率而备受瞩目。然而，海上浮动风力发电机（Floating Offshore Wind Turbines, FOWTs）在复杂的海洋条件下运行时，面临着诸多动态挑战。这些挑战不仅包括风力、波浪等常规环境因素，还涉及地震等突发性灾害的影响。因此，准确预测FOWTs在多变海洋环境中的动态响应，对于确保其安全性和可靠性至关重要。

海上浮动风力发电机的结构系统对环境因素极为敏感，这些因素包括风速、波浪高度、洋流以及海底地质条件等。这些外部力量不仅会引发结构的疲劳损伤，还可能导致功率输出的波动，进而影响整个系统的稳定性和使用寿命。在实际的海洋环境中，这些负载往往不是孤立存在的，而是相互作用、相互影响的，这种多因素耦合现象使得对FOWTs的动态响应分析变得尤为复杂。因此，建立一个能够综合考虑风、波浪、地震等多类环境负载的分析平台，成为当前研究的重点。

本研究开发了一种全新的全耦合分析平台，即ABAQUS-FAST（简称A-F平台），用于风力发电机的气动-水动-伺服弹性-地震模拟。该平台整合了两个软件：FAST（用于风力发电机叶片的气弹性模拟）和ABAQUS（用于结构和水动模拟）。通过这种整合，研究人员能够在更广泛的环境中对FOWTs进行模拟和分析，从而更全面地理解其动态行为。平台的可靠性已经通过与现有商业软件的对比验证，表明其在预测和评估FOWTs性能方面具有较高的准确性。

研究中特别关注了5兆瓦（MW）的张力腿平台（TLP）浮动风力发电机在风、波浪和地震作用下的结构响应。通过对这些负载的综合分析，研究进一步探讨了风和波浪力对FOWTs地震响应的影响，特别是在考虑气动阻尼效应的情况下。此外，研究还分析了系统在停车、运行和紧急停机状态下的动态响应，以及垂直地震和海地震对结构的潜在影响。这些分析不仅有助于理解FOWTs在复杂海洋环境中的行为，还为优化其设计和提高其可靠性提供了理论依据。

在研究过程中，研究人员发现，风和波浪的耦合作用会显著加剧风力发电机的疲劳损伤，缩短其使用寿命。因此，必须对这些负载的相互作用进行深入研究，以确保FOWTs在极端条件下的安全性和稳定性。同时，地震活动对风力发电机支撑结构的影响不容忽视，特别是在海水中传播的压缩波可能对浮动结构造成严重威胁。现有的研究主要集中在固定式海上风电（Fixed Offshore Wind Turbines, OWTs）上，而对浮动式风力发电机的地震影响研究相对较少。这主要是因为浮动式风力发电机对水平地震负载的敏感度较低，但其对地震波的响应仍然具有重要意义。

研究中采用的NREL 5 MW参考风力发电机是目前广泛用于海上风电研究的典型模型。该模型的详细参数如表1所示，包括额定风速、切入风速和切出风速等关键运行参数。该风力发电机安装在一个TLP支撑结构上，其设计旨在优化水动力性能。TLP结构的特点在于其重心位于浮体的浮力中心下方，这种设计使得其在海洋环境中具有良好的稳定性。

为了实现对FOWTs的多物理场耦合分析，研究整合了FAST软件中的AeroDyn和ElastDyn模块，与ABAQUS软件相结合。这种整合不仅能够模拟风力发电机在风、波浪、洋流和地震等多类负载下的动态响应，还能够提供更为全面的结构分析。通过这种全耦合分析方法，研究人员可以更准确地评估FOWTs在复杂环境中的性能，为设计优化提供科学依据。

研究结果表明，风和波浪负载对FOWTs的地震响应具有显著影响。特别是在多负载作用下，风和波浪的耦合作用可能会加剧结构的振动，从而影响其整体稳定性。此外，研究还发现，不同的操作条件（如停车、运行和紧急停机）会对FOWTs的动态响应产生不同的影响，因此必须在设计和分析过程中充分考虑这些因素。通过对这些因素的系统分析，研究人员能够更全面地理解FOWTs在各种环境条件下的行为，从而提高其设计的安全性和可靠性。

本研究不仅为海上浮动风力发电机的动态响应分析提供了新的方法，还强调了多灾种耦合效应在海上结构性能评估中的重要性。通过建立一个综合考虑风、波浪和地震作用的分析平台，研究人员能够更准确地预测FOWTs在复杂海洋环境中的行为，为未来的工程设计和应用提供理论支持。此外，研究还展示了如何通过集成先进的计算工具和算法，实现对海上风电系统的全面分析和优化。

总之，海上浮动风力发电机作为可再生能源开发的重要方向，其设计和运行面临诸多挑战。通过建立全耦合的分析平台，研究人员能够更全面地理解FOWTs在多种环境负载下的动态行为，从而提高其安全性和可靠性。本研究的结果不仅有助于推动海上风电技术的发展，也为相关领域的进一步研究提供了重要的参考。未来的研究可以进一步拓展这一分析框架，以涵盖更多的环境因素和更复杂的耦合效应，从而为海上风电的可持续发展提供更坚实的理论基础和技术支持。