基于相对运动RAO的浮式风电场高效海上作业模拟方法研究

本研究针对浮式风电场(W2W)运维中船舶与浮动平台(FWT)间相对运动模拟的难题，开发了基于相对运动响应幅值算子(Relative Motion RAOs)的高效频域分析方法。通过对比频域与时域模拟结果，验证了该方法在计算精度与效率上的优势，揭示了浮式结构间相对运动特性，为降低海上风电平准化度电成本(LCOE)提供了关键仿真工具。

　　

随着全球能源结构向可持续转型，海上风电成为实现欧洲2050净零排放目标的关键。然而近岸站点日趋饱和，深远海浮式风电(Floating Wind Turbine, FWT)技术成为必然选择。这一转变带来全新挑战：传统基于固定式风机(Bottom-Fixed Wind Turbine, BFWT)设计的运维方法无法直接适用于动态漂浮平台。其中，运维船舶(SOV)通过主动栈桥(Walk-to-Work, W2W)系统进行人员转移时，双浮体耦合运动导致的相对运动响应会显著影响作业安全窗口。当前商业多体仿真主要依赖计算资源密集的时域方法，而传统频域分析又难以捕捉浮体间相对运动特征，这一矛盾严重制约了浮式风电场大规模开发的可行性。

挪威FME NorthWind联盟的研究团队在《Applied Ocean Research》发表研究，创新性地提出基于相对运动响应幅值算子(Relative Motion RAOs)的频域仿真框架。通过建立包含12自由度耦合方程的水动力模型，结合HydroStar和VERES软件计算三维势流与粘性阻尼效应，对比分析了频域Relative Motion RAOs与全时域模拟在5种波浪入射角下的差异。研究首次系统量化了浮式对固定式连接的性能差异，发现短周期波浪(6s<>_P<12s)中浮体间相位差会使相对运动幅值提升30%-50%，而衍射效应在斜浪(±60°)工况下对运动幅值影响可达15%。

关键技术方法包括：1) 基于势流理论构建多体耦合频域方程，求解包含附加质量A(ω)和阻尼B(ω)矩阵的12×12线性系统；2) 采用VERES软件计算粘性横摇阻尼，校准RAOs在H_S=3m海况下的非线性效应；3) 开发相对运动RAO变换算法，实现铰接点与着陆点间运动传递；4) 通过SIMA平台进行5种波浪种子、14个峰值周期的时域验证，采用Cartwright极值统计法处理10小时时程数据。

绝对运动响应基准验证
对比固定着陆点工况的频域(Mod 0 H* FD)与时域(Mod 0 H* TD)结果，两者差异仅1%，验证了基础方法的可靠性。这为后续浮式连接分析建立了基准参照系。

浮式对浮式相对运动特性
在T_P=8s的短波条件下，-60°漂离工况下相对伸缩运动比固定连接增大40%，横摇角速度超4°/s。而长周期波浪(T_P>15s)中，因浮体同相运动，相对横摇幅值反比固定连接低20%，揭示波浪周期对运动相位的关键影响。

相互作用效应评估
衍射建模使0°顶浪的栈桥纵向位移增加8%，但在±30°斜浪中对角速度预测影响<5%。这表明在初步设计阶段可忽略相互作用效应，但详细分析中需考虑±60°工况的衍射修正。

该研究建立了浮式风电运维仿真的新范式，Relative Motion RAOs方法将计算效率提升两个数量级的同时，保持与全时域模拟90%以上的一致性。实践意义体现在三方面：1) 为SOV设计提供快速评估工具，优化栈桥补偿系统参数；2) 准确预测H_S=3m海况下的作业窗口，降低LCOE中20%-30%的运维成本；3) 揭示浮体运动相位匹配可提升长波工况的作业安全性。后续研究将集成二阶波浪漂移力和动态定位(DP)控制模型，进一步完善仿真体系。这项来自挪威学界的创新，为全球浮式风电大规模开发提供了不可或缺的工程分析工具。