基于降阶离散模块法的海上浮式光伏系统水弹性分析与应力耦合机制研究

针对海上浮式光伏(OFPV)系统在复杂波浪场中结构安全评估难题，浙江大学团队提出降阶离散模块法(RODM)，通过多体水动力耦合与罚函数铰接约束建模，构建了非均匀波浪场下位移-应变-应力耦合的等效应力计算方法。相比传统模态叠加法，RODM在铰接结构响应预测精度提升5倍，为海洋可再生能源装备优化设计提供新范式。

　　

随着全球能源结构转型加速，海上浮式光伏(OFPV)因其"光伏+海洋"的复合优势成为新能源焦点。但这类千米级柔性结构在复杂海洋环境中面临严峻挑战：非均匀波浪场导致模块间应力分布不均，传统水弹性分析方法难以精确捕捉铰接结构的动态响应。更棘手的是，现有模态叠加法对铰接模式选择存在盲区，而直接计算法又效率低下，严重制约了OFPV系统的安全评估与优化设计。

针对这些瓶颈，浙江理工大学的研究团队在《Ocean Engineering》发表创新成果，提出基于降阶离散模块法(RODM)的水弹性分析新框架。该研究通过三大技术突破实现精准预测：首先采用多体水动力理论耦合有限元法，将结构离散为模块群并引入系统等效降阶扩阶法(SEREP)保持动力学特性；其次创新性地用罚函数定义铰接约束，构建可选择性旋转的连接模型；最后开发位移-应变-应力全耦合算法，首次实现非均匀波浪场下OFVP系统的等效应力精确重构。

任意位置铰接模式验证
通过对比模态叠加法和实验数据，证实RODM方法对连续/铰接结构的水弹性响应预测误差小于5%。特别在45°斜浪工况下，铰接模块的转角位移计算精度较传统方法提升3倍。

非均匀波浪场效应
模拟地形导致的波浪折射现象时，研究发现非均匀场会使等效应力放大近5倍。关键发现是相邻模块的波高相位差达60°时，连接部位出现明显的应力集中现象，这为铰链优化设计提供量化依据。

SEREP-水弹性耦合模型
提出的新型等效应力计算方法，通过主模态变换矩阵实现全场应力重构，计算效率提升80%的同时，最大应变预测误差控制在2%以内，显著优于插值法的15%误差水平。

该研究标志着海洋工程领域水弹性分析方法的重大进步。RODM方法不仅解决了OFPV系统复杂约束优化的核心难题，其建立的非均匀场-结构响应映射关系，更为深远海光伏阵列的集群效应研究奠定理论基础。值得关注的是，文中揭示的"波浪相位差-应力放大"机制，对预防海上能源设施的共振失效具有普适指导价值。未来该方法可扩展应用于漂浮式风电等海洋可再生能源装备的动态安全评估。