基于QTF的浮力分散式TLP系泊系统随机载荷表征与极限状态评估

本研究针对模块化轻质张力腿平台（TLP）在极端环境载荷下的系泊系统可靠性问题，通过二次势流理论结合随机分析方法，评估了两种浮力分散设计方案在极限状态（ULS）下的动态响应特性。研究发现均匀分散设计能更有效抑制系索松弛现象，为海上可再生能源平台结构优化提供了重要理论依据和设计参考。

　　

随着欧盟计划在2050年前将海上风电装机容量提升至当前12吉瓦的25倍，远离岸线的风电场需要配套的电力转换站设施。模块化轻质浮式结构因其成本效益高、扩展性强等特点，成为海上可再生能源设施的理想选择。然而，传统的集中式浮力设计在极端环境载荷下容易出现系索松弛和过大加速度等问题，严重威胁平台安全。为此，研究人员开发了浮力分散式张力腿平台（TLP）设计，但不同分散策略对系泊系统可靠性的影响机制尚不明确。

罗斯托克大学海洋工程研究所的Arash Abbasnia团队在《Results in Engineering》发表研究，通过二次势流理论结合随机分析方法，系统评估了均匀分散和斜角分散两种浮力布置方案在极限状态（ULS）下的性能差异。研究采用欧洲海域100年一遇的环境数据，包括波高14.5米、周期23秒的极端波浪条件，结合风、流等环境因素，建立了完整的数值模型。

关键技术方法包括：1）基于边界元法的二次势流求解器计算水动力系数和二次传递函数（QTF）；2）Cummins脉冲响应函数时域模拟；3）Gumbel极值统计分析方法；4）DNV规范规定的极限状态安全系数评估体系。研究数据来源于欧洲海域100-150米水深的实测海洋环境数据库。

2. Environmental load cases and the ultimate limit states

研究人员根据DNV规范定义了五种载荷工况，包括共线和非共线的波、风、流组合。通过分析欧洲海域现有风电场的位置分布和海洋水文数据，确定了100年一遇的极端环境参数。设计准则包括水平加速度小于0.3g、垂直加速度小于0.25g，以及系索松弛评估等指标。

3. Theories and mathematical formulations

采用摄动理论推导二次速度势函数，通过边界积分方程求解自由面边界条件。建立了包含二次波浪力、风载荷和流载荷的完整运动方程，其中二次传递函数（QTF）矩阵准确描述了频率对和方向角的干涉效应。系泊系统采用线性刚度矩阵表示，考虑了弹性伸长和几何非线性。

4. Modularised design of lightweight TLP structure

两种设计方案保持相同的排水量（5800吨）和尺寸（45×45米），但浮力分布策略不同：设计1采用均匀分散布置，设计2采用斜角集中布置。系泊系统采用四根单弦肌腱，弹性模量为4.00E+10 N/m²，等效直径0.4米。

5. Numerical results

收敛性分析表明9898个面板的网格分辨率可保证计算精度。与双体船实验数据的对比验证了二次势流模型在捕获二阶力方面的可靠性。QTF分析显示，斜角分散设计（设计2）在低频区（f<0.25 Hz）出现明显的幅值放大和频率对偏移现象。稳态漂移力计算表明设计2的艏摇力矩显著高于设计1。

5.3. Statistical analysis of extreme tension loads and slackline

三小时时域模拟的统计结果显示，在共线载荷工况2和3下，设计2的AA和DD系索出现松弛（负值），而设计1在所有工况下均保持正张力。采用Gumbel分布确定的特征动态压力表明，均匀分散设计能提供更大的安全裕度，系泊系统可靠性更高。

研究表明，浮力分散策略显著影响TLP平台的动力响应特性。均匀分散设计（设计1）通过优化浮力分布，有效降低了二阶波浪力的不利影响，在极端环境条件下表现出更好的系泊系统稳定性。相比之下，斜角分散设计虽然在某些工况下具有优势，但在 quartering 斜浪工况下容易产生较大的艏摇运动，导致系索动态张力波动加剧。这项研究为模块化海上平台的结构优化提供了重要理论基础，特别是为未来大型海上风电转换站的设计提供了系泊系统可靠性评估的完整方法论。研究结果对提高海上可再生能源设施的安全性和经济性具有重要工程意义。