弹性浮体与非线性系泊系统在不规则波中的耦合水弹性数值研究及其在多单元浮式海上风电平台的应用

本研究针对大型弹性浮体结构在非线性系泊系统和不规则波浪中的复杂耦合动力学问题，提出了一种基于Cummins方程模态展开与非线性杆单元法的强耦合时域求解方法。通过Jacobian矩阵实现二阶精度求解，并结合多风机载荷映射技术，首次系统揭示了弹性模态共振与非线性系泊激励、高阶谐波激励及多风机动力学的三维耦合机制。研究为FLNG、多单元浮式风电平台等超大型海洋结构设计提供了关键理论支撑，解决了传统线性假设和刚性体模拟带来的工程误差问题。

　　

海洋工程领域正面临一个关键挑战：随着浮式液化天然气平台（FLNG）和多单元浮式海上风电平台（MUFOWT）等超大型结构的出现，传统基于刚性体假设和线性系泊模型的设计方法已无法准确预测这些弹性结构在真实海洋环境中的动力学行为。尤其当结构长度超过450米时，三维弹性变形、非线性系泊动力学与不规则波浪的耦合效应会显著影响系统安全性。现有研究多局限于规则波或自由漂浮条件，对非线性系泊系统与弹性模态的相互作用机制认知不足，导致工程设计不得不采用过大的安全系数，造成巨额成本浪费。

为突破这一技术瓶颈，韩国船舶与海洋工程研究院（KRISO）的HeonYong Kang团队在《Marine Structures》发表研究，创新性地将弹性模态展开的Cummins方程与非线性杆单元法通过Jacobian矩阵强耦合，建立了时域预测-校正求解器。该研究首次实现了对弹性浮体、非线性系泊线、不规则波浪及多风机动力学的全耦合模拟，关键技术包括：1）基于模态展开的广义Cummins方程处理水弹性辐射/衍射问题；2）非线性有限杆单元法精确模拟系泊线松弛-张紧转变；3）通过应力合力（stress resultants）映射实现多风机载荷传递；4）基于二阶波浪理论的不规则波场构建。

Formulation of the coupled hydroelasticity for a moored elastic floating structure
研究建立了包含6个刚性模态和N个弹性模态的广义自由度体系，通过WAMIT获取水动力系数后，在时域求解中引入非线性系泊线在导缆孔（fairlead）处的Jacobian矩阵耦合项。该方法克服了传统BEM-FEM直接耦合的误差累积问题，计算效率提升40%以上。

Numerical results and discussion
通过三类案例验证耦合机制：1）矩形浮体在0.1-2 rad/s波浪频带内，发现一阶弹性模态共振会使系泊张力峰值增加58%；2）FLNG尺度模型揭示系泊线高阶谐波激励可激发结构非线性弹性振动，二阶慢漂运动导致横向位移谱出现0.25倍特征频率的次谐波峰；3）MUFOWT平台模拟显示，三阶扭转模态与风机推力脉动的耦合会使塔筒根部弯矩增加33%，且模态对称性导致刚性横荡与弹性弯曲产生强耦合。

Conclusion
该研究首次量化了三维弹性变形、非线性系泊激励与多风机动力学的耦合规律：1）系泊线高阶谐波可穿透波浪能量频带激发弹性共振；2）模态形状与系泊/风机布局的相对位形决定耦合强度；3）二阶波浪引起的慢漂运动显著增强系泊-弹性模态能量交换。成果为超大型浮式结构设计提供了突破性的仿真工具，通过精确预测耦合效应可降低20%以上的系泊系统冗余设计成本。该方法的验证数据已应用于韩国10MW级风光混合发电系统的国家标准制定。