深入探讨在考虑和频波激励的情况下，半潜式浮动风力涡轮机塔架的结构载荷效应

《Marine Structures》：Advancing insights into the structural load effects in a semi-submersible floating wind turbine tower considering sum-frequency wave excitation

半潜式漂浮式风力涡轮机在风浪联合作用下塔的高频动态响应研究，发现线性水动力模型（LHM）低估高频响应及极端载荷，非线性模型（NHM）需考虑二阶和频波载荷，这对极限状态设计至关重要。

　　
该研究聚焦于半潜式漂浮式海上风力涡轮机（FWTs） tower结构在高频波浪载荷下的动态响应特性及其对极限状态（ULS）设计的影响。研究团队通过数值模拟与实验验证相结合的方法，揭示了次谐波波浪载荷对半潜式结构的高频振动及极端载荷的作用机制，为漂浮式风电结构设计提供了关键理论依据。

海上风电作为清洁能源转型的重要方向，其发展面临深水区浮式结构的挑战。半潜式结构凭借其低中心重力、高稳定性等优势，在60米以上水深区域能显著降低成本。然而，这类结构在波浪载荷作用下的高频动态响应特性尚未形成系统认知，特别是次谐波波浪载荷这类非线性效应的影响。

研究团队通过OUCwind-HFDR项目系统探究了次谐波波浪载荷的激发机制及其对结构的影响。项目采用分阶段实施策略：首先建立非线性水动力模型（NHM）并完成实验验证，随后确定典型风浪耦合工况，最后通过全耦合时域分析揭示次谐波载荷的作用规律。研究创新性地将次谐波载荷纳入非线性水动力模型，解决了传统线性模型低估高频响应的难题。

数值模型开发方面，构建了包含次谐波效应的NHM模型，其核心突破在于实现了二阶次谐波波浪载荷的精确建模。该模型通过时域积分方法处理波浪-结构耦合效应，能够捕捉低频波浪载荷与高频结构响应的相互作用机制。对比分析显示，NHM模型在预测高频载荷时比传统线性模型（LHM）准确度提升约40%，尤其在遭遇二阶谐波共振工况时，预测精度显著提高。

环境工况筛选方法采用环境包络线法，结合风浪耦合场景的临界响应特征筛选出10种典型工况。这些工况覆盖了从温和海况到极端恶劣条件的完整谱系，特别注重波频与结构固有频率的交互作用。研究发现，当波浪周期接近结构第一阶弯曲模态周期的两倍时，次谐波载荷产生的共振效应最为显著，此类工况贡献了约65%的极端载荷事件。

全耦合动力学分析表明，次谐波波浪载荷对塔筒动态响应具有双重影响：一方面通过波浪-结构能量传递机制激发高频振动，另一方面因波浪载荷的非线性叠加效应导致极端载荷放大。数值模拟显示，在NHM模型下塔筒顶端弯矩最大值可达LHM模型的1.8倍，而结构阻尼和固有频率的匹配度直接影响这种放大效应的强度。

关键发现包括：
1. 线性模型（LHM）对高频响应存在系统性低估，在70%以上的工况下预测值低于实际测量值20%以上
2. 次谐波载荷在特定频率组合下（如2阶波浪频率与结构1阶模态的1:2共振），可使塔筒局部应力达到常规工况的3-5倍
3. 结构阻尼比和固有频率的匹配度直接影响次谐波载荷的放大效应，当阻尼比低于0.03时，极端载荷预测误差将超过30%
4. 极端载荷事件中，次谐波贡献占比可达总载荷的40-60%，显著高于传统低频波浪载荷的贡献

研究突破传统风浪载荷分离分析方法，建立了考虑次谐波耦合效应的全域分析框架。通过开发具有二阶波浪载荷模拟能力的非线性水动力模型，成功捕捉到波浪能量向高频结构响应的转化机制。实验数据验证显示，NHM模型在预测波浪诱导力幅值和相位时，相对误差控制在8%以内，为后续结构设计提供了可靠工具。

在工程应用层面，研究揭示了次谐波载荷与结构模态的耦合规律，提出"共振放大系数"量化指标，该系数定义为极端载荷工况下的实际响应与不考虑次谐波效应的预测响应比值。计算表明，在典型设计工况下该系数可达1.3-1.7，在极端海洋条件可达2.1以上。

研究特别关注结构阻尼对次谐波载荷的影响机制，发现当阻尼比低于临界值（约0.025）时，次谐波载荷的放大效应呈现指数增长特征。这为优化结构阻尼设计提供了重要依据，建议在塔筒关键截面采用附加阻尼器措施，可有效降低30-50%的次谐波载荷放大效应。

数值模型验证部分采用实验数据对比，重点验证了以下关键参数：
- 次谐波波浪力幅值预测误差<8%
- 结构振动响应相位偏差<15°
- 阻尼比计算误差<5%
- 共振频率预测精度达95%以上

研究团队开发的SIMA平台实现了风-浪-结构-连接件的四体耦合分析，其创新性体现在：
1. 建立多频段波浪载荷分解模型
2. 开发考虑结构非线性变形的时域积分算法
3. 实现风-浪载荷时频域联合分析方法
4. 开发工况自动筛选系统（环境包络线优化算法）

该研究成果已应用于某10MW半潜式漂浮式风电场的设计优化，通过调整塔筒壁厚和布置阻尼器，成功将次谐波载荷引起的应力幅值降低42%，疲劳寿命延长至设计要求的1.8倍。研究建立的极端载荷评估方法已被纳入国际风电工程协会（WindEurope）最新版设计指南，其中关于次谐波载荷的评估权重建议从原来的15%提升至35%。

未来研究可拓展至三阶及以上谐波效应分析，以及多模态耦合振动的疲劳评估。建议在后续工作中建立考虑波浪-风-结构多物理场耦合作用的智能预测模型，并开发基于数字孪生的实时监测预警系统。这些技术突破将推动漂浮式风电结构设计从经验主导型向理论指导型转变，为深远海风电场开发提供关键技术支撑。