固定式海上风力机悬垂出口电缆的动力响应与损伤评估

《Journal of Marine Science and Engineering》：Response and Damage Assessment on a Suspended Export Cable of a Fixed Offshore Wind Turbine

　　

作为海上风电场的关键构件，悬垂出口电缆因在波浪-海流联合载荷与电缆-海床相互作用下呈现复杂动力响应，易导致结构失效与疲劳损伤，日益受到关注。研究人员建立了一种数值框架，用以考察南海某固定式海上风力机基础外延电力电缆的动力响应。电缆模型采用绝对节点坐标法（ANCF）描述，水动力载荷与电缆-海床相互作用分别通过Morison方程与Randolph–Quiggin模型考虑。模型验证后，分析了不同海洋气象（metocean）条件下电缆响应特性，进一步评估了波浪、海流及相关环境因素对结构强度、疲劳损伤与磨损损伤的影响。电缆动力响应沿弧长呈现显著非均匀性；波浪重现期主要影响响应幅值，而入射角对动力响应影响更显著。损伤评估进一步表明，瞬时强度失效不具临界性，最大应力低于许用应力；疲劳损伤与接触磨损集中于过渡区与触地点附近，斜向波流作用加剧循环弯曲与磨损增长。研究结果有望为海上风电场电缆设计、安装及运维提供理论支撑与有益参考。

研究背景方面，海上风电行业中悬垂出口电缆是风力机与升压站间输电的关键环节，随着行业快速扩张，由海洋环境引发的电缆失效问题日益突出。桩周流速受波浪与海流共同影响产生局部冲刷与电缆暴露，悬垂出口电缆在复杂波流及电缆-海床相互作用下产生非线性动力响应，引发严重疲劳问题。尽管已有大量试验与数值研究关注柔性圆柱涡激振动、悬浮管缆水动力响应及铜导体疲劳与微动磨损，但联合环境载荷与不规则海床地形、桩致流场扰动下的电缆动力响应与损伤机理仍理解不足，限制了疲劳与磨损评估的可靠性。为此，研究人员以南海某固定式海上风力机基础外延电缆为对象，开展考虑不规则海床与波流耦合的时域数值研究，论文发表于《Journal of Marine Science and Engineering》。

关键技术方法上，研究人员采用绝对节点坐标法（ANCF，Absolute Nodal Coordinate Formulation）建立三维减缩梁模型描述电缆几何非线性大变形，水动力载荷用Morison方程计算，电缆-海床垂向接触采用Randolph–Quiggin（R-Q）模型、侧向采用Coulomb摩擦双线性模型；桩周局部流场由基于格子Boltzmann方法（LBM）的FluidX3D求解获得，不规则波由JONSWAP谱生成；损伤评估中疲劳采用S-N曲线结合Miner线性累积损伤理论，触地点磨损采用Archard磨损模型并在ANSYS Workbench中建立截断缆段接触磨损有限元模型；模型验证复用Yu等的深水分立式悬链线立管基准案例。

研究结果部分，第2节方法论中，ANCF以节点位置与斜率向量构造形函数，广义坐标含轴向拉伸与弯曲，外力虚功计入重力、浮力、海床接触与Morison水动力，惯性力与Green应变、空间曲率表征弹性力，得到质量矩阵-弹性力-外力平衡方程；电缆-海床作用分解侧向Coulomb双线性摩擦与垂向R-Q初始贯入、上拔吸力及再贯入迟滞；损伤方法明确S-N与Miner公式及Archard体积磨损与动态磨损率表达式。第3节数值验证中，复现Yu等悬链线立管基准，ANCF预测构型、顶部张力与弯矩与VFIFE结果吻合，最大顶部张力与弯矩相对差仅2.0%与0.9%。第4节问题定义中，针对南海风力机桩基外延电缆，引入沿程不规则海床高程（空间变异、时不变），缆上端埋深9.0 m、下端11.7 m，水平方位255°，CFD获桩周速度分量范围并显式中段悬浮跨与后段振荡增强，设典型入射角13°及重现期2~100年等多组工况。第5节动力响应特性中，典型工况下位移沿弧长非均匀，x向位移主导、最大无量纲位移0.0836位于弧长6 m，近桩节点主频0.114 Hz与波频一致，悬浮跨中后节点主频倍移至0.227 Hz并含0.455 Hz高频；悬浮跨3~10 m位移集中、触地带受海床约束衰减；曲率在弧长10~20 m波动、峰值0.10 rad/m于13.5 m，张力沿程总体下降但在14 m与18 m出现局部峰。波浪重现期（2~100年）只抬升位移FFT幅值（0.038至0.074）与张力水平（10.87 kN至11.17 kN），不移动高幅区位置、不移动主频、曲率分布几乎重叠。波流入射角（0°、13°、25°、40°）影响更显著：0°时位移弱且局部化、主频0.114 Hz；非零角主频倍移0.227 Hz且悬浮跨低频高频并存、时-弧长面出现倾斜传播带；入射角增大抬高整体张力与过渡区（弧长11~13 m）曲率波动，但水平轨迹主方向不随角度旋转。第6节损伤评估中，强度校核取极限应力450 MPa、安全系数1.5得许用300 MPa，轴向应力最大1.389 MPa、弯曲应力在过渡区最大270.67 MPa、组合应力周向0°/135°/180°位较大近253.5 MPa、45°/90°低于150 MPa，全工况低于许用，无瞬时强度失效；疲劳损伤随重现期与高水位增大，周向90°位最不利，集中于悬浮-触地过渡弧长11~13 m，0°入射疲劳峰在135°位、非零角移至90°位，纯流工况损伤有限且峰在45°位；触地点磨损由Archard模型与ANSYS截断缆段模拟，重现期50年单周期磨损量略高于100年、均高于5年与2年，入射角0°到40°使触地点位移幅值与单周期磨损量显著增长，斜向波流往复滑动是外护套磨损主因。

讨论部分指出，波流联合显著改变电缆动力与损伤尤其触地带，海床地形时变演化、微动磨损参数时变、涡激振动（VIV）未予考虑为局限，未来需耦合演化海床与VIV模型。结论部分翻译如下：（1）电缆动力响应沿程非均匀，大位移在悬浮跨、曲率与局部应力集中在悬浮-触地过渡区；总位移含明显倍频成分而各向位移与张力仍受波频主导；最大应力低于许用，瞬时强度失效非主导模式。（2）波浪重现期主要抬升响应幅值与张力水平，不改变主响应区、主频与曲率空间分布，局部弯曲由过渡区构型与海床边界控制。（3）相比波强，波流入射角对动力响应影响更显著，增大角度抬高悬浮跨位移幅值、整体张力与过渡区曲率，水平轨迹主方向近乎不变。（4）疲劳与磨损风险集中在过渡区与触地点附近，疲劳损伤周向非均匀且入射角改变最不利周向位，大入射角加剧触地点位移与磨损累积，斜向波流诱致循环弯曲与接触磨损为需关注的重要损伤模式。