单桩与土壤相互作用对专为海上风力涡轮机塔架设计的负刚度辅助柔性液体阻尼器-惯性器性能的影响

《Applied Nursing Research》：Effect of monopile-soil interaction on performance of negative stiffness-assisted compliant liquid dampers-inerter designed for offshore wind turbine towers

海上风电15 MW涡轮支持 jacket结构升级策略研究，提出并验证两种加固方案。通过多地点（Gunsan/Oido/Buan）风浪流耦合载荷的非线性有限元分析，对比发现Configuration 2在峰值应力（降低50%至60-70 MPa）、位移（减少50%至0.03 m）和疲劳寿命方面显著优于Configuration 1，其优化设计的辅助架结构通过平行布置实现更均匀的力流分布，验证了现有 jacket通过模块化加固适配大型涡轮的技术可行性。

　　在当前全球能源转型的大背景下，可再生能源技术的快速发展对海洋风力发电领域的结构设计提出了新的挑战。随着风力涡轮机功率的不断提升，原有的支撑结构可能难以满足新设备的承载需求，尤其是面对复杂的非线性海洋载荷条件。本文旨在探讨如何通过结构改造，将原本为5.5兆瓦（MW）设计的钢制“Jacket”结构升级以支持新一代15 MW的风力涡轮机。这种改造不仅涉及结构设计的优化，还对海洋环境的适应性提出了更高的要求，尤其是在韩国西南部海域等复杂的水文条件中。

Jacket结构，作为一种传统的固定式海上平台支撑系统，最初源自石油和天然气行业，因其在较深水域中的稳定性和可靠性而受到青睐。随着风力涡轮机的大型化，Jacket结构成为一种理想的支撑选择，尤其是在30至60米的水深范围内。然而，随着设备尺寸的增加，其承载的载荷也随之增长，特别是非线性海洋载荷，包括风载、波浪载荷和洋流载荷。这些载荷不仅具有复杂的时间依赖性，还与结构的动态响应密切相关，因此需要对Jacket结构进行优化，以确保其在高载荷环境下的稳定性与安全性。

本文通过全面的有限元分析，评估了两种改造策略在综合风、波浪和洋流载荷作用下的性能表现。研究涵盖了七种不同的风浪方向和三个实际地理区域（ Gunsan, Oido, Buan）以及一个合成环境。分析结果表明，第二种改造策略（Configuration 2）通过优化支撑结构和调整构件尺寸，显著降低了峰值应力集中（超过50%），缓解了应变热点，同时将横向和旋转位移减少近50%。这些改进直接对应于增强的疲劳寿命和减少对载荷方向变化的敏感性，这对确保海洋环境中风力涡轮机的长期可靠性和低维护需求至关重要。

研究的背景揭示了海洋风力发电的迅速发展及其在全球能源格局中的重要地位。据相关研究显示，海洋风力发电已占全球电力生产总量的10%，并且到2023年，全球风力发电能力已超过1047吉瓦（GW）。为了实现2050年零碳排放的目标，每年需要新增约280 GW的风力发电能力。因此，海洋风力发电的建设速度加快，特别是在亚洲地区，许多新项目专注于10到15 MW的风力涡轮机。然而，这种快速扩张也带来了新的挑战，尤其是在现有Jacket结构如何适应更大风力涡轮机的条件下。

本文提出的改造方案不仅考虑了结构设计的优化，还通过引入辅助平台（auxiliary shelf system）和优化支撑结构，实现了对原有Jacket结构的非破坏性改造。这种改造策略在不改变原有桩基和基础布局的前提下，通过增加辅助支撑和重新配置构件，提高了结构的承载能力。该方法不仅在结构效率方面有所提升，还具备显著的经济优势，降低了整体材料需求，使得改造后的Jacket结构能够支持更大功率的风力涡轮机。

研究中，通过对Jacket结构进行非线性有限元分析，重点评估了其在复杂海洋载荷下的动态响应。分析结果表明，Configuration 2在多个关键性能指标上优于Configuration 1，包括应力分布、应变响应和位移控制。特别是在波浪方向变化较大的情况下，Configuration 2表现出更低的应力集中和更均匀的载荷分布，从而降低了结构对载荷方向变化的敏感性。这种设计优化使得改造后的结构能够更有效地适应多方向的载荷，从而提高了其在海洋环境中的可靠性。

研究还考虑了实际施工的可行性，特别是如何在不破坏原有桩基和基础的前提下进行结构改造。辅助平台的设计允许在陆地预制，然后通过重型起重设备进行海上安装和灌浆，这不仅提高了施工效率，还减少了海底焊接的必要性，从而降低了海上施工的风险。此外，该方法还考虑了现有结构的可扩展性，确保了改造后的结构能够适应未来可能的进一步升级需求。

本文的研究成果为海洋风力发电领域的结构改造提供了重要的理论支持和实践指导。通过对现有Jacket结构的优化设计，可以有效提升其承载能力，延长使用寿命，并降低维护成本。同时，研究也指出了当前改造方法中存在的局限性，如未考虑土壤-结构相互作用（SSI）和腐蚀等因素，未来研究应进一步探索这些方面，以确保改造结构的长期稳定性。此外，研究还强调了在实际工程中，需采用高质量的焊接工艺和严格的质量控制措施，以确保结构的可靠性。

综上所述，本文通过详细的有限元分析，揭示了现有Jacket结构如何通过结构优化来适应更大功率的风力涡轮机。研究不仅为海洋风力发电的结构设计提供了新的思路，还为实际工程中的改造策略提供了可操作的建议。随着海洋风力发电技术的不断发展，这类研究对于推动海上风电场的可持续发展具有重要意义。