《Journal of Marine Science and Engineering》：Full-Field Hull Fatigue Mapping Across Environmental Bins for a Semi-Submersible Floating Offshore Wind Turbine
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浮式海上风力发电机组（FOWTs）的疲劳评估仍然具有挑战性，因为疲劳敏感区域可能出现在传统预定义热点之外。本研究将先前经过数值验证的全场疲劳筛选工作流程（结合单元荷载响应（Unit Load Response, ULR）、子模型（submodeling）和虚拟
浮式海上风力发电机组（FOWTs）的疲劳评估仍然具有挑战性，因为疲劳敏感区域可能出现在传统预定义热点之外。本研究将先前经过数值验证的全场疲劳筛选工作流程（结合单元荷载响应（Unit Load Response, ULR）、子模型（submodeling）和虚拟试验台（Virtual Test Rig）概念）应用于台湾海峡环境条件下的TaidaFloat半潜式FOWT。重构的节点应力历程用于绘制船体疲劳图，并评估来自182个环境箱（包括运行工况和台风条件）的发生率加权贡献。结果识别出疲劳敏感区域不仅存在于传统的立柱-支撑和立柱-浮筒连接处，还出现在主立柱上部以及沿涡轮机-船体荷载路径。上部立柱疲劳主要与涡轮机引起的弯曲相关，而下部立柱和水线附近区域对波浪引起的整体船体弯曲更敏感。频繁发生的近额定运行工况主导了发生率加权的船体疲劳贡献，而选定的台风条件在四年数据集中产生高短期损伤但有限长期贡献。约94.6%的船体疲劳损伤由28%的环境箱捕获，一个共同的船体-系泊集合使用62%的环境箱捕获了97.0%的两种贡献。这些发现支持热点筛选和环境箱优先化，而非详细或认证级别的疲劳寿命预测。
浮式海上风力发电机组（FOWTs）的疲劳评估长期面临挑战，因为疲劳敏感区域可能出现在传统预定义热点之外。现有研究多集中于时域或频域分析，但通常仅关注有限的连接处或截面，对全场船体疲劳分布及环境箱发生率加权贡献的考察不足。此外，船体与系泊系统在相同环境分布下的疲劳贡献关系尚不明确。针对这些问题，研究人员将先前经过数值验证的单元荷载响应（Unit Load Response, ULR）-子模型（submodeling）-虚拟试验台（Virtual Test Rig）工作流，从方法验证推广至全场疲劳映射，应用于台湾海峡环境条件下的TaidaFloat半潜式FOWT（支撑IEA 15 MW参考风机）。研究重构了182个环境箱（包括158个运行工况和24个台风条件）下的节点应力历程，绘制船体疲劳图，评估发生率加权损伤，并比较船体与系泊的疲劳贡献。结果表明，疲劳敏感区域不仅出现在传统立柱-支撑和立柱-浮筒连接处，还出现在主立柱上部及涡轮机-船体荷载路径；上部疲劳由涡轮机诱导弯曲主导，下部由波浪诱导整体弯曲主导；近额定运行工况在发生率加权条件下贡献最大，而台风条件短期损伤高但长期贡献有限；约94.6%的船体疲劳损伤由28%的环境箱捕获，共同船体-系泊集用62%的环境箱捕获97.0%的损伤。这些发现支持筛选阶段的热点识别和环境箱优先化，但非最终认证。论文发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。
研究人员为开展本研究主要采用了以下几项关键技术方法：耦合全局时域模拟（OrcaFlex）进行气动-水动-伺服-弹性响应分析，提取荷载历史；基于ULR方法预计算静态单位应力响应，通过线性叠加重构全场节点应力历程；采用子模型技术细化局部网格，并利用虚拟试验台校准简化模型；通过压力场插值重构波浪分布压力；疲劳损伤计算采用雨流计数和Palmgren-Miner线性累积，使用DNV-RP-C203的W3 S-N曲线，并应用Goodman平均应力修正；以Signed Von Mises Stress (SVMS)和Absolute Maximum Principal Stress (AMPS)作为等效应力指标。环境箱来源于台湾新竹浮标（24.76° N, 120.84° E）的实测数据（2020年4月至2024年1月），包含158个运行和24个台风条件，共182个多维箱。
3.1 全场船体疲劳损伤图：通过全场疲劳映射，发现疲劳敏感区域不仅出现在传统立柱-支撑和立柱-浮筒连接处（如点A、B、C、D），还在主立柱上部、涡轮机-船体荷载路径及外壁出现高损伤。重点区域为主立柱上部（Zone I），该区域可能被传统热点评估遗漏，受涡轮机诱导弯曲和波浪诱导整体弯曲共同影响。Zone II靠近涡轮机塔筒连接，内部圆柱壳高损伤与传递涡轮机荷载相关；Zone III中径向舱壁可能重新分配涡轮机弯曲，外壁损伤更高。Zones IV–VI显示局部疲劳集中（如腹板、梁交叉处、靠船构件），但整体损伤低于上部区域。
3.2 涡轮机诱导与船体诱导损伤：通过控制变量比较不同环境箱，发现当风速变化而波浪参数不变时，涡轮机荷载路径附近点（如T、T2）的疲劳损伤随涡轮机从额定工况向制动区过渡而降低，与涡轮机相关荷载变化一致。当风速固定为额定功率条件、波浪高度和周期变化时，涡轮机邻近点T的损伤变化有限，而点C、D及结构损伤中位数随波浪严重程度增加而增大，表明下部和水线附近区域对波浪更敏感。点A2的雨流循环分布显示，高风速下循环数增加且应力范围扩大，而高波浪高度也推动循环向高应力范围偏移。长期发生率加权分析表明，上部立柱和支撑区域损伤主要由涡轮机诱导荷载主导，下部立柱（如点D、D2）则受波浪诱导整体弯曲影响。
3.3 寿命疲劳贡献：通过发生率加权分析，发现台风条件产生最大总体荷载和高短期损伤率，但因低发生率，其对长期船体疲劳贡献有限。近额定运行工况因高发生率成为最大贡献者。船体疲劳集中于运行和近额定风速条件，而系泊疲劳在温和、运行和极端条件下均表现出敏感性。按船体标准，28%的环境箱（51个）捕获94.6%的船体疲劳损伤；按系泊标准，59%的环境箱（107个）捕获94.0%的系泊损伤；共同标准下，62%的环境箱（113个）捕获97.0%的两种损伤，实现38%的箱数缩减。
讨论部分指出，全场筛选揭示了传统热点评估的不足，证明预定义热点可能遗漏重要区域；船体疲劳不能由单一荷载机制描述，需同时考虑涡轮机驱动和波浪驱动路径；发生率加权结果强调疲劳工况选择不应仅依据荷载严重性；船体与系泊疲劳的关键环境箱并不完全重合，环境箱优先化需兼顾两者。局限性包括：结果为筛查级别，受网格分辨率、等效应力选择及重构假设影响；环境数据集仅覆盖四年，不反映长期气候变异性；结论基于单一15 MW半潜式FOWT平台和台湾海峡站点，需更多平台、场地和现场测量数据验证通用性。
研究结论部分翻译如下：本研究将先前经过数值验证的全场疲劳筛选工作流程（在其既定筛选级别范围内）应用于台湾海峡环境条件下的TaidaFloat半潜式FOWT，以研究船体疲劳分布、疲劳驱动机制和环境箱贡献。船体疲劳结果也与同一环境箱框架下的系泊疲劳贡献进行了比较。主要结论如下：全场疲劳映射显示，疲劳敏感区域不仅限于传统的立柱-支撑和立柱-浮筒连接处。主立柱上部，尤其是靠近涡轮机-船体荷载路径处，也出现显著损伤，表明基于预定义热点的评估可能遗漏重要疲劳易发区域。船体疲劳机制具有空间依赖性。上部立柱和涡轮机邻近区域主要与涡轮机诱导弯曲相关，而下部立柱和水线附近区域对波浪诱导的整体船体弯曲更敏感。在2020年4月至2024年1月观测的经验环境分布中，极端台风条件产生高短期疲劳损伤率，但其对发生率加权长期船体疲劳损伤的贡献小于频繁发生的近额定运行工况。这一发现特定于所研究的四年数据集，不应解释为关于台湾海峡台风长期贡献的一般气候学结论。船体与系泊疲劳并不完全共享相同的临界环境区间。船体疲劳集中于运行和近额定风速条件，而系泊疲劳在温和、运行和极端条件下表现出更广泛的敏感性。环境箱分析表明，筛选工作可以集中于一个子集的疲劳相关工况。在本案例中，约95%的船体疲劳损伤由28%的环境箱捕获，而一个共同的船体-系泊箱集使用62%的环境箱捕获了约97%的两种损伤贡献。这些结果支持筛选阶段的环境箱优先化，但不能替代最终疲劳验证。总体而言，结果证明了全场船体疲劳筛选在识别非传统疲劳敏感区域以及将疲劳累积与环境发生率联系起来方面的价值。因此，本结果仅限于筛选级别的热点识别和环境箱优先化。在将数值损伤量级解释为现场验证或认证级别的疲劳寿命预测之前，需要更精细的焊缝级评估、更长期的环境统计以及全尺寸应变或检查数据。
