引言
随着漂浮式海上风力涡轮机（FOWT）产业的快速发展，漂浮式风电场正逐步向更深水域扩展，并采用更大容量的风力机。这些发展增加了对能够在恶劣海洋条件下传输更高功率容量的阵列间电缆（IAC）的需求[1,2]。在漂浮式风电系统中，由波浪、海流和风引起的平台运动直接传递至动态动力电缆，导致运行期间产生循环动态响应[3,4]。因此，对电缆动态行为的可靠评估对于确保疲劳寿命和结构完整性至关重要[[5], [6], [7]]。
动态动力电缆具有多层螺旋截面，其中层间接触与滑移导致非线性弯曲刚度和耦合力学行为[[8], [9], [10]]。在懒波配置中，弯头加强件和浮力模块（BM）会产生局部下垂弯曲和上凸弯曲，使得曲率和弯曲响应成为重要的设计考量[8,11,12]。在这些条件下，涡激振动（VIV）可作为主要的动态载荷机制。通过引发阻力放大和张力的增加，VIV可能对长期疲劳损伤做出贡献[[13], [14], [15]]。因此，对动态动力电缆的可靠评估需要进行全局动态响应分析，以考虑局部力学行为，包括非线性弯曲响应和与疲劳相关的应力分量[10]。特别是，局部曲率的变化可能通过层间滑移改变有效弯曲刚度，从而可能修改VIV响应的空间特性和频率特性。
半经验频域（FD）方法广泛应用于立管和动态电缆设计实践中的VIV评估。代表性工具包括SHEAR7和VIVANA，它们为工程应用提供了计算高效的解决方案[16,17]。然而，这些方法依赖于线性模态叠加，并假设稳态响应，无法解析实时模态竞争[18]。因此，与非线性边界条件、时变流速和非平稳频率过渡相关的响应特征被简化或忽略。虽然FD方法在初步筛选中仍然有价值，但需要时域方法来解析这些瞬态和非线性特征。
在时域（TD）VIV方法中，基于计算流体动力学（CFD）的流-固耦合方法直接耦合流场和结构响应，可提供高保真度的预测[[18], [19], [20], [21], [22], [23]]。然而，对于高雷诺数细长结构，CFD的计算成本仍然很高，限制了其在设计中的常规使用[24]。作为计算效率更高的替代方案，已开发了半经验TD模型来描述瞬态和空间变化的响应特征[[24], [25], [26], [27], [28], [29], [30]]。这些半经验TD方法将结构分析与水动力载荷模型相结合[[24], [25], [26]]。该框架已被应用于研究时变流动条件下频率可变性、模态转换以及多模态横流（CF）和顺流（IL）激励[25,27,28]。该框架还被扩展到分析结构非线性和时-空共享响应特征[[29], [30], [31]]。这种能力对当前问题尤为相关，因为局部弯曲刚度会随着瞬时曲率跨越粘滞-滑移转换阈值而变化，需要解析结构状态的时序演化。
尽管取得了这些进展，懒波动态动力电缆的VIV行为仍然具有挑战性，因为其空间变化的几何形状和特有的力学特性。实验研究报告了懒波电缆中的宽带和方向相关应变响应[14,15]，而数值研究则考察了多模态激励、剪切流效应和时变响应特征[[32], [33], [34]]。离散BM对VIV的影响也已在之前的研究中进行了探讨[[35], [36], [37], [38]]。然而，曲率相关弯曲刚度对懒波动态动力电缆时域VIV响应的影响尚未得到充分表征。特别是，局部曲率相关刚度转换、空间响应模式、主频率以及在不同流速分布和来流角度下的方向响应特征之间的关系仍然不清晰。
为解决这些未解决的问题，本研究采用了一种全局时域VIV框架，明确纳入了电缆的曲率相关双线性弯曲行为，并表明局部刚度转换产生的空间及时频响应并非粘滞模型和滑移模型极限响应之间的简单中间值。数值研究考虑了双线性、粘滞和滑移弯曲刚度模型在不同流速、流速分布和来流角度下的表现。这些综合分析可以为识别需要进行后续详细局部应力和疲劳评估的电缆区域提供依据。
本文其余部分组织如下。第2节描述了数值模型，包括电缆的结构表示、离散BM建模策略和时域VIV分析框架。第3节给出了位移响应的空间分布和位置相关的主曲率频率。第3节讨论了弯曲刚度和曲率转换的影响，包括模态阶次分析、曲率状态和超限比分析以及时频分析，并结合其与疲劳相关的含义。最后，第5节总结了本研究的主要发现。
