半潜式浮式海上风机环加筋圆柱结构极端水冲击损伤与残余强度的数值分析

推荐：研究人员针对浮式海上风机(FOWT)基础平台在恶劣海况下承受波浪冲击(FSI)的关键问题，通过ALE、SPH和ICFD三种数值模拟方法，系统研究了环加筋圆柱结构的局部响应和损伤演化，验证了设计方法的准确性，并评估了受损结构的残余弯曲强度，为海上结构物抗冲击设计提供了重要依据。

　　

随着全球能源转型加速，浮式海上风电(FOWT)成为可再生能源领域的新宠。然而这些矗立在惊涛骇浪中的"海上巨人"正面临严峻挑战——极端波浪冲击(slamming)可能造成支撑结构的致命损伤。2015年挪威海域COSL Innovator事故的惨痛教训仍历历在目，当时巨浪冲击直接导致1人死亡、4人受伤。传统设计方法将这种复杂的流体-结构相互作用(FSI)简化为静态压力载荷，忽略了结构变形对冲击过程的动态影响，可能埋下安全隐患。

针对这一行业痛点，挪威科技大学(Norwegian University of Science and Technology)的研究团队在《Marine Structures》发表了创新研究成果。他们采用任意拉格朗日-欧拉法(ALE)、光滑粒子流体动力学(SPH)和不可压缩计算流体力学(ICFD)三种数值模拟技术，首次系统研究了半潜式FOWT环加筋圆柱结构在波浪冲击下的损伤机理。研究团队首先通过0.6mm铝板落水实验验证了数值模型的准确性，随后对直径12m的典型平台圆柱开展系列冲击模拟，最终评估了受损结构的残余承载能力。

关键技术方法包括：1)采用LS-DYNA软件建立多物理场耦合模型；2)通过3D数字图像相关技术(3D-DIC)验证薄板冲击实验；3)设计包含8个环加筋的圆柱结构模型；4)提取3×3m²冲击区域的动态压力载荷；5)采用非线性有限元法评估残余弯曲强度。

研究结果揭示：

1. 数值模拟技术验证

• ALE方法最能准确预测最大变形量(误差<5%)，成功捕捉到实验观察到的空气垫振荡效应
• 0.5°微小冲击角即可消除初始压力峰值，但对整体变形影响有限

1. 圆柱结构冲击响应

• 15m/s冲击速度(对应百年一遇海况)导致中央加筋肋47.8mm永久变形
• 结构刚度显著改变压力分布：刚性假设会高估峰值压力49%
• 损伤模式从V20的局部凹陷转变为V30的整体屈曲

1. 设计方法评估

• 将3×3m²区域细分为9个1×1m²压力面板可精确复现损伤(误差<5%)
• DNVGL-OTG-14设计载荷与15m/s冲击的损伤程度相当，但对应关系不明确

1. 残余强度分析

• 30m/s冲击(超ULS条件)仅使弯曲强度降低15.6%
• 轴向压力(16MN)会额外降低6-7%的承载能力
• 损伤结构的剩余强度仍显著高于DNV规范值

这项研究突破了传统设计方法的局限，证实考虑FSI效应的精细化模拟能更准确预测结构响应。特别值得注意的是，即使遭受超出设计标准的冲击，环加筋圆柱结构仍能保持足够的安全裕度——这一发现为修订现行规范提供了重要依据。研究提出的压力分区加载方法(1×1m²网格)为工程实践提供了实用工具，而关于损伤累积和疲劳效应的后续研究将进一步完善FOWT的全生命周期安全评估体系。随着全球漂浮式风电向15MW+机型发展，这项成果对保障新一代超大型风机支撑结构的安全具有重要指导价值。