刚度相似自升式平台模型试验研究：模型设计、制备与结构预测试验

为解决海洋平台结构数字孪生（Structural Digital Twin）开发中数值模型验证难题，新加坡TCOMS研究人员创新设计1:30缩尺自升式平台模型，采用聚碳酸酯（PC）材料实现腿柱刚度相似性（bending/axial rigidity），通过ABAQUS有限元模拟与实测数据验证，为结构健康监测系统提供高精度基准数据集。该研究突破传统模型试验局限，实现边界力与应变直接测量，成果发表于《Marine Structures》。

　　

在海洋油气和海上风电领域，自升式平台（jack-up）作为核心作业装备，其结构安全性面临严峻挑战。传统维护策略依赖定期检测，而数字孪生（Structural Digital Twin）技术可通过实时数据驱动实现预测性维护。然而，该技术亟需高精度数值模型支撑，现有全尺度实测数据存在环境干扰大、边界条件模糊等问题，而常规缩尺模型又因材料刚度失配导致力学响应失真。为此，新加坡TCOMS海洋研究所联合多机构开展创新性研究，通过刚度相似模型试验为数字孪生开发提供"黄金标准"数据集。

研究团队采用三大关键技术：1）基于Polycarbonate（PC）材料的桁架腿设计，实现1:30缩尺下弯曲/轴向刚度（bending/axial rigidity）双重相似；2）模块化spudcan（桩靴）与腿-船体连接结构，精确模拟边界约束条件；3）ABAQUS有限元模型与应变片阵列的多维度验证体系。

【Overview of the generic jack-up】
通过文献调研确定典型自升式平台固有周期（6-10秒），设计1:30缩尺通用模型。采用PC材料桁架腿实现刚度相似性，其弹性模量2.4GPa，通过截面优化使轴向刚度EA和弯曲刚度EI同步匹配原型。

【Structural pre-tests of the key components】
分部件测试显示：1）PC桁架腿在静态/动态载荷下呈线性响应，应变测量误差<5%；2）桩靴模块在低载荷时呈现轻微非线性，经改进后满足测试要求；3）腿-船体连接模块成功模拟固定约束，边界力测量信噪比提升40%。

【Structural pre-tests of the assembled jack-up】
整体测试表明：1）ABAQUS模型与实测数据在边界力、弯矩及动态特性（natural period）上误差<8%；2）扩展悬臂工况下，一阶模态频率1.25Hz（对应全尺度7.5秒），与典型作业平台吻合；3）应变片网络成功捕获腿柱内力分布。

该研究突破性地解决了缩尺模型刚度失真难题，首次实现从部件到整体的全维度力学响应匹配。其价值在于：1）为结构数字孪生提供可验证的基准案例；2）开创PC材料在海洋工程模型试验中的应用范式；3）建立的测试方法可推广至其他海洋结构物。研究团队后续将基于该模型开展波浪-结构耦合试验（见Part 2&3），进一步推动数字孪生在智慧海洋工程中的落地应用。