分析在非线性动态载荷作用下，对海上风力涡轮机进行改造后的夹克式基础结构的结构完整性

《Applied Materials Today》：Analyzing the structural integrity of retrofitted jacket substructures for an offshore wind turbine under nonlinear dynamic loading

海上风电15MW机组 jacket结构改造研究，通过有限元分析对比两种改造方案。 Configuration 2通过优化支撑架布局，将峰值应力降低50%（60-70MPa），位移减少近50%（0.03m），并显著改善疲劳寿命和方向敏感性。研究采用ABAQUS建立多工况FE模型，包含风浪流耦合载荷、非线性材料本构及损伤模型。验证显示改造后结构在Gunsan、Oido等海域满足应力屈服强度1.61的安全系数，且位移和旋转位移较基准配置降低50%-80%。关键参数包括S355钢应变率、Ducorit UHPC混凝土强度，以及采用Kaimal湍流模型合成50年一遇风浪流场。研究结果为现有 jacket结构升级提供结构优化范式。

　　### 评估与展望：现代海洋风力发电结构改造的可行性与优化方向

随着全球对可持续能源需求的不断增长，风能作为一种清洁、可再生的能源形式，其发展速度显著加快。特别是在海洋环境中，风力发电技术正经历从传统陆上风力发电机向更大功率、更深水深区域的转型。这一趋势催生了对现有支持结构进行改造的必要性，以满足更大功率风力发电机（如15兆瓦）的运行需求。本文的研究围绕海洋风力发电机（OWT）的现有支撑结构改造展开，重点探讨了两种改造配置（Configuration 1和Configuration 2）在非线性动态载荷下的表现差异，并提出了基于结构优化的改造方案。研究结果不仅揭示了结构改造的有效性，也为未来海洋风力发电项目提供了重要的工程指导。

#### 海洋风力发电的背景与发展趋势

海洋风力发电作为风能领域的重要组成部分，正在成为满足全球能源需求和减少碳排放的关键手段。尤其是在沿海地区，由于陆地资源的限制，海洋风力发电提供了更具潜力的能源获取途径。目前，全球海洋风力发电装机容量已超过1047吉瓦，而预计到2050年，这一数字需要达到280吉瓦每年以实现零碳排放的目标。随着技术的进步，风力发电机的尺寸和功率不断提升，这一变化对支持结构提出了更高的要求。

传统单桩基础虽然在浅水区域广泛应用，但在更深水域中显得不足。因此，钢结构的“套筒”（jacket）结构逐渐成为深水区域的首选，因其在稳定性、承载能力和适应复杂载荷方面的优势。然而，随着风力发电机功率的提升，现有套筒结构在面对非线性动态载荷时表现出一定的局限性，尤其是在载荷方向变化和极端天气条件下的表现。因此，对现有套筒结构进行改造，使其适应更高功率风力发电机的运行需求，成为当前海洋风力发电领域的重要课题。

#### 研究目标与方法

本研究的目标是评估两种改造配置（Configuration 1和Configuration 2）在非线性动态载荷下的结构表现，以确定哪种改造方案更为有效。研究采用有限元分析（FEA）方法，模拟了风、波浪和洋流三种主要载荷的综合作用，并针对韩国西南部海域（Gunsan、Oido和Buan）的实际环境条件进行了分析。此外，还构建了一个合成环境以提供更为广泛的载荷模拟。

为了评估改造配置的有效性，研究者对两种配置进行了详细的结构分析，包括应力分布、应变行为、位移响应以及疲劳寿命等关键性能指标。同时，通过调整辅助平台（auxiliary shelves）的刚度，研究了其对结构性能的影响。研究结果表明，Configuration 2在多种环境条件下表现优于Configuration 1，尤其是在应力集中、应变热点和位移控制方面。此外，研究还揭示了辅助平台的刚度调整如何影响结构的稳定性和疲劳寿命，为未来改造方案的设计提供了依据。

#### 改造配置的结构性能比较

在分析中，Configuration 2的应力集中显著降低，峰值应力下降超过50%，同时应变热点和横向与旋转位移也减少近50%。这种显著的改善直接对应于结构疲劳寿命的延长和对载荷方向变化的敏感度降低，这对于海洋风力发电机的长期运行至关重要。Configuration 2的辅助平台采用平行于套筒腿的方向，使其能够更有效地承担载荷，而Configuration 1的垂直方向则容易导致次级弯曲和材料需求增加。

从结构效率的角度来看，Configuration 2在单位功率下的材料消耗更低，从原来的193吨/兆瓦降至146吨/兆瓦，降低了约24%。这表明，通过优化辅助平台的尺寸和方向，可以在不牺牲结构性能的前提下减少材料使用，从而降低整体成本。同时，研究还发现，Configuration 2的位移控制更为稳定，即使在极端载荷条件下，其位移幅度也显著低于Configuration 1，这进一步验证了其在动态载荷下的优越性。

#### 应力与应变行为分析

在非线性动态载荷作用下，应力和应变的分布对于结构性能至关重要。研究中，Configuration 2的应力集中程度明显低于Configuration 1，尤其是在波浪作用下的关键部位。这表明，Configuration 2的结构设计更有效地分散了载荷，减少了局部应力峰值，从而提升了结构的疲劳寿命和安全性。

应变行为方面，Configuration 2的应变幅值更为均匀，特别是在波浪方向变化时，其应变响应更为稳定。这种应变分布的均匀性有助于减少结构在不同载荷方向下的不稳定性，从而延长其使用寿命。此外，研究还发现，Configuration 2的应力三轴度（stress triaxiality）变化范围更小，且波动更平缓，这表明其在疲劳行为方面更具优势。

#### 位移与旋转响应分析

位移分析显示，Configuration 2在横向和旋转位移方面均表现出更强的稳定性。在不同波浪方向下，其位移幅度显著低于Configuration 1，特别是在高波浪方向（如60°至90°）条件下，位移的控制更为有效。这表明，Configuration 2的结构设计能够更好地适应复杂的载荷环境，从而降低结构在动态载荷下的变形风险。

旋转位移方面，Configuration 2同样展现出更优的性能。其旋转位移幅度较小，且在不同载荷方向下表现出更均匀的响应。这种旋转稳定性对于海洋风力发电机的长期运行尤为重要，因为旋转位移的增加可能会导致结构疲劳和功能退化。研究结果表明，Configuration 2的旋转响应更为可控，能够有效减少局部应力集中，提升结构的耐久性。

#### 实践意义与工程应用

本研究提出的改造方法不仅适用于现有套筒结构的升级，还为未来海洋风力发电项目提供了可行的工程方案。通过保留原有的基础和地基，改造方案能够在不破坏原有结构的前提下，实现对更大功率风力发电机的支持。这种做法不仅减少了施工对海洋环境的影响，还降低了工程成本和施工复杂度。

此外，研究还强调了辅助平台的可制造性。通过预制辅助平台并将其安装在现有结构上，能够有效减少海上施工的复杂性，提高施工效率。这种方法不仅减少了施工时间，还降低了施工风险，特别是在复杂海洋环境下，避免了需要进行水下焊接等高风险作业。

#### 局限性与未来研究方向

尽管本研究提供了详尽的分析结果，但仍存在一些局限性。例如，研究假设了固定基础条件，而忽略了土壤-结构相互作用（SSI）的影响。这种假设虽然简化了模型，但在实际工程中，土壤的柔性对结构的响应具有重要影响，尤其是在长期运行过程中。因此，未来的研究应考虑将SSI纳入模型，以更准确地评估结构的性能。

此外，研究未涵盖地震载荷的影响，尽管所选地区地震活动性较低，但随着海洋风力发电项目的扩展，地震风险可能会增加。因此，未来的分析应包括地震载荷，以评估结构在多灾害条件下的性能。同时，焊接工艺的质量控制也是未来研究的重点之一。在实际工程中，焊接质量直接影响结构的疲劳寿命和安全性，因此需要进一步研究焊接工艺的优化和标准化。

#### 结论

综上所述，本研究通过有限元分析方法，系统评估了两种改造配置在非线性动态载荷下的结构性能，并得出了Configuration 2在多个关键指标上优于Configuration 1的结论。研究不仅揭示了改造配置的有效性，还为未来海洋风力发电项目的结构优化提供了重要的工程指导。随着海洋风力发电技术的不断发展，对现有结构进行改造将成为实现更大功率风力发电机运行的关键路径。未来的研究应进一步考虑土壤-结构相互作用和地震载荷的影响，以完善改造方案，确保其在复杂海洋环境下的长期可靠性。同时，焊接工艺的优化和质量控制措施的实施，也将成为提升改造结构安全性的关键因素。