一种用于浮式风力涡轮机半潜式船体时域疲劳分析的高效方法

《Marine Structures》：An efficient approach for time-domain fatigue analysis for semi-submersible hulls of floating wind turbines

本研究针对半潜式浮式风电涡轮机（FWT） hull结构的疲劳分析，提出并比较了完全耦合、解耦及高度简化的三种方法。通过10MW FWT模型在北海和中国南海六海域的实例验证，发现解耦方法可将计算量减少84.38%，在北海海域误差小于12%，但南海海域存在显著低估。结论表明解耦方法在北海具有良好效率与精度平衡特性，但需进一步验证其适用性。摘要字数：110字

　　随着全球对可再生能源需求的增加，浮动风力涡轮机（Floating Wind Turbines, FWTs）作为一种在深水区域获取风能的有效方式，受到了广泛关注。特别是在北海水域和中国近海等风能资源丰富的地区，FWTs的建设与运营成为推动绿色能源发展的重要方向。然而，浮动风力涡轮机在复杂的海洋环境中会受到多种外部载荷的影响，包括风力、波浪、洋流以及系泊力等，这些载荷在长期运行过程中会对结构产生显著的疲劳效应。因此，如何高效、准确地评估这些结构的疲劳损伤，成为了研究的重点。

在工程实践中，疲劳分析通常基于长期载荷作用下的结构响应，通过统计方法将短期疲劳损伤累积起来，以预测整个生命周期内的结构疲劳状态。传统的完全耦合方法虽然在精度上具有优势，能够真实反映风浪之间的动态相互作用，但由于其计算量大，难以满足工程中对计算效率的要求。为此，研究者们提出了多种简化方法，旨在在不显著牺牲精度的前提下，提升计算效率。其中，解耦方法通过分别计算风载和波浪载，再通过叠加得到总响应，从而显著减少了计算资源的消耗。此外，还有一种高度简化的分析方法，仅考虑最可能的波浪条件与风速的组合，进一步提升了计算效率。

在本文中，研究团队对一种10兆瓦的半潜式浮动风力涡轮机的疲劳分析方法进行了深入探讨。他们选取了北海水域的五个站点以及中国海域的一个站点，进行多段浮体模型下的全局结构响应分析。通过对不同站点的短期疲劳损伤进行计算，并结合概率分布进行长期疲劳损伤的评估，研究团队发现，解耦方法在北海水域的站点中，能够保持在12%以内的偏差，这表明其在该区域具有较高的适用性。然而，在中国海域，高度简化的分析方法则表现出明显的低估现象，说明其在特定海域的适用性存在局限。

研究团队还通过对比分析，展示了不同方法在计算效率和精度之间的权衡。完全耦合方法虽然精度高，但计算时间较长，而解耦方法则在保证合理精度的同时，大幅减少了计算量。高度简化的分析方法虽然进一步提高了效率，但其精度在不同海域表现不一，尤其是在中国海域，需要更多的验证工作。因此，对于工程实践而言，选择合适的分析方法，结合具体的环境条件和结构特点，是实现高效且可靠疲劳评估的关键。

研究中还涉及了对短期疲劳损伤的分析，使用雨流计数法对结构应力时间序列进行处理，识别出应力循环的次数和范围。然后，基于S-N曲线（应力-寿命曲线）计算累积的疲劳损伤。这种方法能够有效地评估结构在不同载荷条件下的疲劳性能，但其准确性依赖于对环境条件的合理选择和对结构响应的精确建模。此外，研究团队还分析了不同风浪方向下的结构响应，发现某些特定方向下的载荷对疲劳损伤的影响更为显著，因此在实际工程中需要特别关注这些方向的载荷情况。

在长期疲劳损伤评估方面，研究团队采用了基于环境参数联合分布的方法，将短期疲劳损伤结果整合起来，计算出长期疲劳损伤。他们发现，解耦方法在多个站点上均能保持较高的计算效率，同时其精度在大多数情况下是可接受的。然而，对于某些特定站点，如中国海域，解耦方法的偏差较大，这表明在这些区域的应用仍需谨慎。此外，高度简化的分析方法虽然能够显著减少计算时间，但其在某些情况下无法准确反映实际的疲劳损伤，特别是在那些具有较高应力范围的海域。

综上所述，本文的研究成果为浮动风力涡轮机的疲劳分析提供了重要的参考。解耦方法作为一种折中的解决方案，能够在保持一定精度的同时，大幅降低计算成本，适用于北海水域等环境条件较为稳定的区域。而高度简化的分析方法虽然计算效率更高，但在某些海域可能无法满足工程精度要求，需要进一步的验证和优化。未来的研究方向应包括对这些方法在不同海域和不同浮动风力涡轮机设计中的适用性评估，以及通过引入更精确的参数修正，进一步提高解耦方法的准确性。这些研究不仅有助于提升浮动风力涡轮机的设计与运营效率，也为海上风电行业的可持续发展提供了科学依据。