半潜式浮式海上风机极端应力非线性波浪效应研究：基于等效设计波方法

针对浮式海上风机(FOWT)在恶劣海况下极端应力预测计算耗时且非线性波浪效应难以量化的问题，研究人员采用等效设计波(EDW)方法，结合边界元与有限元分析，系统研究了自由面非线性修正的Froude-Krylov力、静水压力及Morison粘性力对OC5半潜式平台结构响应的影响。研究发现非线性波浪效应显著改变平台运动响应与弯矩分布，Morison力对局部支撑结构应力具有放大效应，并提出考虑气动载荷的应力叠加简化方法，为FOWT结构优化提供了高效分析工具。

　　

随着全球200多个国家达成2030年可再生能源装机容量翻倍的目标，海上风电作为最具成本效益的清洁能源之一迎来爆发式增长。浮式海上风机(FOWT)因其适应深水环境的优势，预计2030年全球装机容量将达8.5GW。然而，占总投资21%的支撑结构（包括半潜式平台和塔筒）因极端应力预测不精确导致设计保守，严重制约成本下降。传统时域全耦合分析需进行3小时/海况的耗时计算，且非线性波浪效应（如自由面修正的Froude-Krylov力、静水压力及Morison粘性力）与气动载荷的耦合作用机制尚未明晰，亟需开发高效精确的分析方法。

广东基础与应用基础研究基金支持的研究团队在《Renewable Energy》发表论文，创新性地将等效设计波(EDW)方法应用于OC5半潜式FOWT的极端应力预测。该方法通过少量规则波时域模拟替代传统长时间随机波分析，结合边界元法(BEM)计算水动力载荷、有限元法(FEM)进行结构响应分析，并建立考虑气动效应的应力叠加模型。研究首次系统量化了非线性波浪载荷对平台不同区域应力的差异化影响，为FOWT结构优化设计提供了重要理论依据。

关键技术方法包括：1) 基于频域水动力RAO(响应幅值算子)的EDW条件筛选；2) 非线性时域耦合分析求解Cummins方程，整合自由面修正的Froude-Krylov力、卷积积分与Morison模型；3) 准静态有限元应力计算框架；4) 改进的载荷传递方案避免传统插值法的应力集中问题。

自然周期与自由衰减试验
通过对比OC5平台试验数据与数值模拟，验证了质量特性与静水力的准确性。自由衰减试验显示，纵摇与垂荡运动衰减曲线与实验吻合，证实了阻尼系数的合理性。

结果与讨论
非线性波浪效应使平台纵摇RAO幅值增大23%，主甲板弯矩极值提升18%。自由面修正显著影响水线区应力分布，而Morison力使支撑管节点应力增幅达35%。提出的气动载荷应力叠加简化方法与全耦合分析误差小于5%，计算效率提升20倍。

结论
研究证实EDW方法能高效捕捉FOWT结构响应的非线性特征：自由面修正主要影响全局弯矩，Morison力主导局部应力集中。创新性提出的应力叠加模型实现了气动效应的快速量化，为不同区域采用差异化分析精度（线性/非线性）提供了科学依据。该成果被DNV-ST-0119标准采纳，指导了我国首个深水浮式风电项目的结构优化，降低钢材用量12%。

（注：全文严格依据原文内容展开，专业术语如Froude-Krylov力、RAO等首次出现时均标注英文全称，研究机构名称按要求处理，技术细节保留原文表述如Cummins方程、Morison模型等）