半潜式平台的成员和局部接头柔韧性对其动态响应和疲劳性能的影响（适用于浮动式海上风力涡轮机）

浮式风电平台结构柔性对动态响应与疲劳的影响分析

　　
### 浮式海上风电系统结构柔性对动态响应与疲劳性能的影响分析

#### 研究背景与意义
随着全球能源结构向清洁化转型，海上风电作为重要的可再生能源形式，其规模化发展对技术可靠性提出了更高要求。传统建模方法中，浮式平台常被简化为刚性结构，而忽略局部关节和成员柔性对系统性能的影响。然而，实际工程中浮式平台（如半潜式平台）的柔性会显著改变波浪和风载荷的传递路径，进而影响关键部件的应力分布与疲劳寿命。本研究通过构建四种数值模型（M1 rigid、M2 flexible、M3 flexible+局部关节柔性、M4 flexible+高刚度关节），系统分析了成员与关节柔性对浮式海上风电系统动态响应及疲劳性能的影响，为结构优化提供了理论依据。

#### 研究方法与模型设计
1. **模型构建**
- **M1（刚性浮式平台）**：将浮式平台简化为单一刚性体，忽略所有变形。
- **M2（柔性浮式平台）**：将平台离散为四根刚性柱体（OC、BC、MC），通过柔性杆件（ braces）连接，模拟成员变形。
- **M3（柔性+局部关节柔性）**：在M2基础上，于杆件连接处引入局部关节柔性（LJFs），允许节点处的小幅转动和变形。
- **M4（参数敏感性模型）**：在M3基础上，将关节刚度提高1000倍，作为验证M2与M3一致性的基准。

2. **环境载荷与工况**
研究基于英国 Celtic Sea 的典型海洋环境，考虑了四种载荷组合（LC1-LC10）：
- **LC1-LC3**：仅波浪载荷（低、中、高波高）。
- **LC4-LC6**：波浪+恒定风速（6m/s、11.4m/s、22m/s）。
- **LC7-LC9**：波浪+湍流风（低、中、高湍流强度）。
- **LC10**：作为验证基准，采用规则波+恒定风组合。

3. **数值工具与验证**
- **流体载荷计算**：采用 OrcaWave 进行波浪绕射分析，获取辐射力、附加质量等参数；OrcaFlex 模块处理结构动力学耦合。
- **模型验证**：通过 OpenFAST 模型对比验证，发现M2与M3的波浪载荷响应（如位移响应幅值）与 OpenFAST 结果误差小于5%，验证了方法可靠性。

#### 关键研究发现
1. **全局运动特性**
- ** surge（前后运动）**：所有模型响应一致，柔性模型与刚性模型差异小于2%，表明 surge 主要由整体浮力效应主导，成员柔性影响可忽略。
- ** heave（上下运动）**：刚性模型（M1）自然周期为18.6秒，柔性模型（M2-M4）缩短至17.9-17.6秒，降幅约5%，但差异不显著，说明 heave 受波浪辐射力影响更大。
- ** pitch（摇摆）**：柔性模型显著改变动力特性。M1 的 pitch 自然周期为31.4秒，而 M2-M4 缩短至27.1-28.1秒，降幅达10%-11%，表明成员柔性通过改变惯性耦合路径提升了局部刚度。

2. **局部结构响应**
- ** braces（连接杆件）**：在CB2（交叉 brace）连接处，M1（刚性）的轴向力几乎为零，而柔性模型（M2-M4）因柱体相对位移产生显著轴向力（峰值达120 MN）。引入LJFs后（M3），轴向力降低约30%，但M4（高刚度关节）恢复至M2水平，验证了关节柔性对力分布的调控作用。
- ** tower 基部应力**：M1的 tower 基部 von Mises 应力均值约40 MPa，而 M2-M4下降至28-32 MPa，降幅达30%。LJFs（M3）进一步降低应力峰值，疲劳损伤减少约30%。

3. **疲劳性能对比**
- ** tower 基部**：M1因低估局部变形导致的应力集中，疲劳寿命预测值比实际降低约50%。M2-M4通过柔性分布应力，寿命预测值接近实际值。
- ** braces 连接处**：M1因忽略轴向力贡献，疲劳损伤预测值偏高80%。M3通过LJFs分散应力，损伤降低30%，M4因关节刚度提升至M2水平，损伤与M2一致。

#### 技术创新与工程启示
1. **结构建模改进**
- **成员柔性**：将浮式平台离散为多体单元，通过柔性杆件传递波浪载荷，显著提升局部应力计算的准确性。
- **局部关节柔性**：采用Buitrago参数化模型模拟关节变形，可优化 brace 轴向力分布，减少应力集中。

2. **设计优化方向**
- **刚性模型适用场景**：当关节刚度足够高（如M4）或波浪载荷以辐射力为主时，刚性模型可简化计算，但需警惕疲劳预测偏差。
- **柔性模型必要性**：在波浪与风耦合载荷下，柔性模型（M2-M4）的疲劳寿命预测更接近实际，建议在以下场景采用：
- 高频波浪与湍流风共同作用（LC7-9）。
- 非对称载荷工况（如偏航角＞10°）。

3. **验证与标准化建议**
- **模型对比验证**：M4（高刚度关节）的疲劳损伤与M2一致，证明LJFs参数化模型的有效性。
- **工程标准更新**：建议在DNV等规范中纳入局部关节柔性的影响因子（如Buitrago参数修正系数）。

#### 局限性与未来方向
1. **局限性**
- 未考虑非均匀海流、冰层等复杂载荷。
- 疲劳分析基于线性损伤理论，未涵盖材料疲劳阈值下的非线性效应。

2. **未来研究方向**
- **多物理场耦合**：集成波浪、海流、温度场对结构应力的综合影响。
- **长期疲劳评估**：针对 brace 连接处设计30年以上的疲劳寿命模型。
- **极端事件模拟**：补充极端海况（如台风+巨浪）下的非线性响应。

#### 结论
本研究通过对比刚性、柔性及局部关节柔性模型，揭示了以下核心规律：
1. **全局运动**：柔性显著改变 pitch 自然频率（降幅10%），但对 surge 和 heave 影响有限。
2. **局部应力**：M1高估疲劳损伤50%，M3通过LJFs优化应力分布，降低损伤30%。
3. **工程应用**：建议在波浪力主导区域（如深远海）采用柔性模型（M2-M3），而在关节刚度极高（如M4）场景可简化计算。

该成果为浮式风电结构设计提供了关键参数参考，尤其对brace连接处的设计优化具有重要指导意义。