基于改进Kirchhoff杆模型的海底系泊线静动态行为分析与流体-结构相互作用研究

本研究针对海上风电系泊系统设计中的关键挑战，提出了一种改进的Kirchhoff杆模型(ARMoor)，通过引入惩罚函数屏障法和简化流体模型，实现了对系泊线静动态行为及海底接触的高精度模拟。研究验证了模型在静态构型、脉动载荷和流体-结构耦合等场景下的可靠性，揭示了系泊线在低频拖曳主导与高频附加质量主导机制间的转换规律，为浮式风电系泊系统设计提供了新工具。

　　

随着全球能源结构向可持续方向转型，浮式海上风电(FOWTs)成为开发深远海风能资源的关键技术。然而，复杂的海洋环境给系泊系统设计带来巨大挑战——传统准静态分析方法无法准确捕捉流体动力载荷、海底接触等非线性效应，而完全动态仿真又面临计算效率瓶颈。这一矛盾在新型合成材料系泊线应用中尤为突出，其载荷依赖性和历史依赖性的刚度特性使传统建模方法不再适用。

针对这一难题，国内研究团队在《Marine Structures》发表了创新性研究。他们基于Kirchhoff杆理论框架，开发了ARMoor（Advanced Rod Model for Mooring Lines）模型，通过三项核心创新解决了现有技术局限：引入惩罚函数处理海底接触约束，整合简化流体载荷模型，并采用等几何分析方法实现高效空间离散。该模型成功消除了传统梁模型中固有的扭转自由度，避免了由此引发的数值不稳定问题。

关键技术方法包括：(1)建立无剪切无扭转的Kirchhoff杆控制方程；(2)采用对数屏障函数处理海底接触非线性约束；(3)开发包含附加质量、法向/切向阻力及浮力的流体相互作用模型；(4)基于等几何分析的混合时间积分算法。研究使用OpenFAST和OrcaFlex等商业软件进行交叉验证，并针对300米长的Kevlar 49系泊缆开展多工况测试。

【模型描述】
研究团队建立了考虑几何非线性的改进Kirchhoff杆控制方程，通过势能泛函引入屏障函数项处理海底接触约束。关键创新在于采用投影算子分解流体载荷，将三维流场作用简化为沿杆中心线的分布力，既保持物理真实性又确保计算效率。

【数值结果】
在弹性悬链线验证案例中，ARMoor与传统弹性悬链解的最大差异仅0.06%，而计算效率提升40%。特别值得注意的是，当fairlead水平位移增加5.7%时，模型准确预测到系泊线张力激增4900kN的现象，揭示了几何刚度主导的力学特性。

【流体相互作用】
研究发现了系泊线动态响应的双机制特征：低频载荷下(<0.1Hz)流体拖曳力占主导，而高频载荷下(>1Hz)附加质量效应更为显著。这种转变机制对浮式风机共振规避设计具有重要指导意义。

【海底接触分析】
通过参数化研究确定了惩罚系数μ的最佳取值范围(20-700)。当μ=25时，模型能准确预测系泊线 touchdown点位置，与参考解误差<1%，同时保持良好数值稳定性。

这项研究的重要意义在于：首先，ARMoor模型首次实现了系泊线静动态响应、流体耦合与海底接触的统一高效仿真；其次，提出的屏障函数处理方法为类似接触问题提供了新思路；最后，揭示的动力学机制转换规律为浮式风电系泊系统优化设计提供了理论依据。该模型已成功应用于15MW浮式风机系泊分析，标志着我国在海洋工程计算力学领域取得重要突破。未来研究可进一步拓展到多根系泊线耦合分析及极端工况模拟等领域。