基于锚链-海床相互作用宏模型的浮式风力机系泊系统分析

为解决浮式风力机(FWTs)系泊设计中忽略锚链嵌入海床影响的问题，研究人员提出了一种三维宏模型，模拟锚链-海床非线性相互作用，并集成至SIMA软件。研究发现，忽略嵌入段会导致系泊张力高估，海床摩擦显著分担浮体载荷并影响锚设计荷载，为优化系泊系统提供了关键工具。

　　

在应对气候变化和减少CO₂
排放的全球背景下，浮式风力机(FWTs)因其在60米以上深水区的部署潜力成为研究热点。然而，传统系泊分析常将海床锚固点简化为固定点，忽视锚链嵌入段与海床土壤的复杂相互作用，导致设计保守或失效风险。这一问题在成本敏感的FWTs领域尤为突出，亟需开发更精确的模拟工具。

针对这一挑战，挪威研究团队在《Marine Structures》发表研究，提出了一种创新的宏模型(Macro-model)，用于描述锚链-海床三维非线性相互作用。该模型通过耦合增量位移与土壤反力关系，首次将嵌入链效应整合至SIMA（一种气-水-伺服-弹性耦合工程工具）中。关键技术包括：建立基于弹塑性框架的宏模型数学公式；通过动态链接库(DLL)实现SIMA/RIFLEX集成；基于IEA 15MW风力机与VolturnUS-S浮体平台开展静动态仿真；采用黏土海床参数化分析验证模型有效性。

Basic description and assumption
研究团队构建的宏模型采用与土壤本构模型一致的数学框架，通过三维空间内位移-反力的非线性耦合关系，捕捉锚链几何形状导致的土壤有效宽度参数变化。该模型突破了传统线性弹簧或弹性地基法的局限，首次实现嵌入链渐进式土壤反力动员的动态模拟。

IEA 15MW floating wind turbine
以200米水深工况下的IEA 15MW风力机为对象，其系泊系统含3条呈120°分布的锚链，锚固点位于海床下210米。研究发现，忽略嵌入链会导致锚眼(Padeye)附近位移低估30%，进而使系泊张力计算值偏高12-18%。

Results and discussions
参数化分析揭示：锚链直径每增加10%，土壤反力峰值提升22%；黏土强度梯度变化会使锚荷载波动幅度达15%。动态工况下，嵌入链通过土壤摩擦耗散35%的浮体动能，显著降低锚的瞬时冲击载荷。

Discussions on seabed friction influence
对比API-RP-2SK与DNV规范推荐的摩擦系数(μ=0.6-1.0)，研究发现实际有效摩擦系数μ=E_t
/(E_n
N_c
)为0.43-0.82，表明现行规范在FWTs场景下存在适用性偏差。海床摩擦分担了28-42%的浮体传递载荷，这对锚设计具有决定性影响。

Limitation
当前模型未考虑循环荷载导致的摩擦刚度退化，且结论基于特定浮体(Floater)类型，需进一步拓展至其他浮式结构验证普适性。

Conclusion
该研究首次实现了锚链-海床三维相互作用的工程化建模，证实嵌入链通过土壤反力动员机制可降低系泊张力10-20%。成果为FWTs系泊系统优化设计提供了关键工具，尤其对降低锚固成本具有直接工程价值。团队建议后续研究应聚焦于循环荷载下摩擦演化和多浮体耦合效应。

CRediT authorship contribution statement
Shengjie Rui主导模型开发与数据分析，Hans Petter Jostad提供方法论指导，Zefeng Zhou负责项目协调。所有作者均声明无利益冲突。

Acknowledgements
研究获挪威研究委员会(SFI BLUES项目309281)和欧盟地平线计划(101108745)资助，SINTEF Ocean的Gro Sagli Baarholm博士提供了重要建议。