半潜式浮式海上风电机组时域与频域疲劳评估方法的对比研究——基于HiveWind平台多热点位置的差异化适用性分析

《Journal of Marine Science and Engineering》：A Comparative Fatigue Assessment of a Semi-Submersible FOWT Using Time- and Frequency-Domain Methodologies

　　

本研究对比了HiveWind半潜式浮式海上风电机组（FOWT）的时域与频域疲劳评估方法。研究人员从覆盖超过16,000个热点的全局疲劳筛选中选取了相同的结构区域。时域方法将Bladed–OrcaFlex耦合仿真与高保真降阶基有限元法（RB-FEM）结构模型相结合，而频域方法则将线性波浪诱导结构传递函数与损伤等效风机载荷（DEL）相结合。两种方法在浮体不同位置的三个代表性结构细节处进行了对比。结果表明，两者的一致性强烈依赖于结构位置：最大差异出现在靠近风机载荷传递路径的中心立柱–撑杆连接处，而在较远立柱和垂荡板区域则获得明显更好的一致性。频域方法所需计算资源显著更少，但其潜在的线性化与DEL表征不保留载荷序列、相对相位、瞬态峰值或非线性耦合效应。上述结果支持一种位置相关的评估策略，即详细时域分析集中于疲劳关键区域，而频域方法用于初步评估和动态敏感性较低的位置。

研究背景与问题：浮式海上风电平台的安全与经济设计依赖于准确的疲劳寿命预测。此类结构复杂度不断提高、设计寿命长，需权衡计算效率与预测精度。既有设计和水动力研究多聚焦稳定性与系泊配置，缺乏在真实载荷谱下对时域与频域方法的对比评估。传统时域方法能捕捉瞬态与非线性行为，但计算成本高；频域方法对平稳随机载荷计算高效，但需线性化处理。近年来已有研究探索时频结合方法，但缺乏在同一半潜式浮式海上风电机组（FOWT）相同结构区域上直接对比时域降阶基有限元法（RB-FEM）与常规频域有限元疲劳评估的工作。本研究以西班牙北部地中海Gulf of Roses海域、水深约120–140 m、25年设计寿命为背景，针对HiveWind浮体（六立柱、下部撑杆连接、以平板结构为主）与MingYang MySE11-230 Offshore风机，比较两种方法的疲劳损伤预测与计算需求。

研究方法与结论：研究人员建立了频域（Ansys，139,168个壳单元、116,086个节点）与时域（Akselos RB-FEM，911,629个壳单元、868,026个节点、约520万自由度）两套结构模型，均进行网格细化与质量检查，以Scaled Jacobian与Shape指标高于0.2为准则，网格收敛以连续细化间热点应力变化低于5%为判据，时间分辨率收敛以疲劳损伤变化低于5%为判据（10 Hz与20 Hz解最大差异4.89%）。风机气动与运行载荷由Bladed生成，时域采用DLC 1.2与DLC 6.4共1175与164组仿真，覆盖97.7%发生概率并归一化；频域采用规则波块（RWB）与风机损伤等效载荷（DEL，取m=4、N_ref=10⁷）。疲劳评估遵循DNV-RP-C203，采用Method A热点应力法与Palmgren–Miner准则，水下区用海水阴极保护D曲线、水上区用空气D曲线。筛选后选定三个区域：中心立柱1C与撑杆连接处（C1C，靠近风机载荷路径）、立柱2P与撑杆连接处（C2P，较远）、垂荡板区域（HP）。结论为：频域结果在C1C各分区均偏低，FD/TD从Z4的0.072135至Z3的0.803826；C2P的Z2、Z3差异分别为+2.21%与?4.87%，而Z1与Z4分别为?34.00%与+19.00%；HP四个分区差异均小于13%。全部24个损伤估计值均低于DFF=2.5对应的0.40验收限值，时域最大值0.398952出现在C1C Z1。频域计算用4核、约144 h，时域最多150核、约720 h。

关键技术方法（不超过250字）：采用Bladed–OrcaFlex全耦合时域仿真获取平台六自由度运动、系泊张力、塔基载荷与水动力参数，并将永久载荷（G）与环境载荷（E）分解映射至约520万自由度的RB-FEM模型；Morison阻力按OrcaFlex同一梁骨架几何与阻力系数重算，绕射与辐射压力插值至结构网格，压载惯性以离散点质量连接器施加；通过力与力矩残差（R_F(t)、R_M(t)及相对残差η_F、η_M）验证载荷映射；时域采用雨流计数与Palmgren–Miner累积，频域采用Ansys AQWA一阶势流计算与SHELL181壳单元结构模型，以规则波块配对25年循环次数计算波浪损伤。样本来源为Gulf of Roses场址联合波高–周期–方向分布及MySE11-230风机保密载荷数据。

研究结果：

3.1 筛选：最疲劳敏感区域集中于过渡段及撑杆与中心立柱1C连接处，靠近风机载荷传递路径；远离该路径的垂荡板–撑杆界面及立柱2P、2S与撑杆连接处筛出损伤普遍较低。时域初步筛选数据集含670组10 min、1 Hz仿真，累计发生概率94.13%，仅用于区域识别与排序。

3.2 频域结果：频域分析用4个CPU核、报告周期约144 h，给出规则波块与风机DEL对25年损伤的贡献，二者之和为工作流合计估计，非独立验证的同时载荷疲劳结果。

3.3 时域结果：时域工作流最多用150个CPU核、报告周期约720 h；通过对比耦合Bladed–OrcaFlex同步时序载荷与结构模型重构净力/力矩评估载荷传递保真度，非零残差作为映射不确定性保留。C1C Z1时域损伤最大（D25=0.398952），对应频域为0.232724；HP Z4时域为0.003231。

讨论部分总结：两工作流差异源于DEL折减、一阶水动力、结构离散、载荷映射及波浪与风机损伤分别叠加等建模差异，配对结果仅量化总差异，未分离各因素贡献；C2P Z1的34.00%差异表明远离风机并不保证一致，HP四区13%以内的一致也不构成普适空间规律。Pearson系数（C1C为0.9307344、C2P为0.9999979、HP为0.9999944，每细节仅4对）仅描述关联而非一致性。频域采用规则波块而非宽带谱疲劳算法，未使用Rayleigh或Dirlik谱计数。建议按细节逐一评估频域适用性，并基于筛选损伤相对设计限值、距风机载荷路径远近、几何复杂度及对简化流程所略效应的敏感性，定性优先安排详细时域分析。

结论翻译：本研究比较了时域RB-FEM评估与采用规则波块和风机DEL的一阶频域工作流。十二个配对分区显示C1C处频域一致偏低、HP处一致性较好、C2P内部差异随分区而异。HP四区差异均小于13%，C2P的Z2与Z3差异小于5%；C2P Z1处频域比时域低34.00%，Z4处高19.00%，但绝对差仅0.000116。因此，极限相关系数或区域距风机的距离均不能作为数值比较时一致性的证据。配对比较中全部24个损伤估计值均低于采用的0.40限值，时域最大值0.398952（C1C Z1）接近该限值；该针对选定分区的规范性验收检查既不证明工作流间一致，也不证明其他位置合规。观测差异与两工作流的假设差异一致，包括一阶水动力传递函数、DEL载荷表征、结构离散与耦合响应处理；时域工作流保留同步历程用于应力循环识别，而后续线性Miner求和并不模拟材料载荷序列效应，各建模差异对损伤差异的单独贡献尚未量化。对所分析构型，频域工作流报告周期更短、CPU核数更少，支持其用于广泛筛选，而选定详细时域计算可考察风机附近对耦合载荷敏感的区域；这些个案周期数据不构成两分析域间内在性能比的依据。结果支持面向装备MySE11-230风机的HiveWind平台、基于Gulf of Roses环境分布及所选DLC 1.2与DLC 6.4数据的分级筛选与评估策略；直接对比限于三个结构区内的代表性最不利位置，方法在远离风机处收敛性更好、在靠近风机处预测分歧更大。未来工作应扩展所考虑的结构载荷工况范围并确定风机对结构疲劳影响的空间范围，同时评估替代性混合评估流程。