《Ocean Engineering》：Coupled and decoupled aero-hydro-geotech reliability analyses of monopile-supported offshore wind turbines considering multi-source uncertainty propagation
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•提出了一种结合了空气动力学、水动力学和岩土工程可靠性的方法，用于海上风力发电机（OWT），以考虑多源不确定性的传播。•开发了一种分离方法，以评估工业上的分体设计实践。•忽略岩土工程不确定性会导致可靠性的轻微高估。•在分离方法中发现了一种违反直觉的“安全错觉”。•结合方法提供了一
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提出了一种结合了空气动力学、水动力学和岩土工程可靠性的方法，用于海上风力发电机（OWT），以考虑多源不确定性的传播。
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开发了一种分离方法，以评估工业上的分体设计实践。
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忽略岩土工程不确定性会导致可靠性的轻微高估。
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在分离方法中发现了一种违反直觉的“安全错觉”。
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结合方法提供了一个稳健的工具，用于校准设计规范，以减少过度设计冗余的问题。
引言
海上风能已成为全球可再生能源战略的关键组成部分，其优势在于拥有优越且持续的风资源以及广阔的可利用空间（Arshad和O’Kelly，2013年）。单桩基础仍然是海上风力涡轮机（OWT）的主要支撑结构，特别是在水深小于30米的浅水区域（Qin等人，2020年）。由于发电效率和风能捕捉效率的提高，预计涡轮机规模将扩大，从而增强了整体能量捕捉能力，并降低了平准化能源成本（例如，Musial等人，2023年；Nia和Edalat，2025年）。在这种情况下，平衡成本效率与系统可靠性成为了一个关键挑战，特别是要避免不必要的支出同时确保结构安全（Morató和Sriramula，2021年）。因此，最近的研究越来越多地转向OWT的概率设计优化（例如，Okpokparoro和Sriramula，2021年；Ramezani等人，2023年；Shin等人，2023年；Li等人，2024年；Lin等人，2024a年）。它用可靠性指数替代了传统的确定安全系数，通过参数不确定性表征和可靠性分析更好地表示OWT的结构性能。在各种可靠性方法中，替代模型（例如，Meng等人，2023年；Meng等人，2024年；Quevedo-Reina等人，2025年；Zhang和Noshadravan，2025年）被广泛用于高效的OWT可靠性评估。
在服役期间，OWT受到复杂的多源不确定性的影响，需要进行严格的概率安全性评估，以防止灾难性的经济损失。从系统工程的角度来看，不确定性的主要驱动因素可以分为气象海况（即空气动力学和水动力学载荷）和地下岩土条件。尽管现有文献已经充分描述了气象海况载荷的随机性质，但海床土壤的固有空间变异性和参数不确定性在OWT研究中仍然很大程度上被忽视（例如，Xiao等人，2021年；Zhang等人，2023年；Wang等人，2025年；Han等人，2025年；Zhang等人，2025年）。这种差异主要是由于深水海域调查的高成本以及数据有限时土壤空间变异性建模的复杂性造成的。尽管已经对土壤-桩相互作用进行了广泛的研究（例如，Arany等人，2016年；Krathe和Kaynia，2017年；Yang等人，2019年；Alkhoury等人，2022年；Wang和Ishihara，2022年；Han等人，2024年；Zhang等人，2026年），但大多数研究集中在改进确定性机械模型上，如集成非线性滞回弹簧或使用高保真有限元模型（例如，Bouzid等人，2018年），而不是量化土壤-桩相互作用不确定性对OWT系统可靠性的影响。
OWT代表了一个复杂的耦合动态系统，理论上需要使用像OpenFAST或HAWC2这样的完全集成的多体仿真工具进行时域分析。然而，在实际应用中，实施这种完全耦合的概率建模面临重大的技术挑战。除了计算成本外，主要障碍是在涡轮机制造商和基础设计师之间严格划分设计责任和知识产权保护，这限制了获取基础设计所需的详细上部结构数据（van der Male等人，2020年）。因此，业界通常依赖于分离方法来简化设计过程，如图1所示，其中上部结构和基础是分别设计的。作用在叶片、塔架和子结构上的风力和波浪载荷通常被简化为等效的结果力，并应用于考虑土壤阻力的独立基础模型。虽然需要两个部分之间的相互迭代，但这种做法在现实中很少采用。
在这方面，Chen等人（2020年）和Yu等人（2023年）将风载荷纳入ABAQUS中，以分析在风力和波浪共同作用下的单桩动力学。类似地，Morató等人（2019年）将作用在转子和塔架上的风力、结构动力学和水动力学载荷简化为塔顶处的结果力，然后应用于桩的有限元模型。然而，这种物理分解切断了双向动态反馈回路（例如，空气动力学阻尼对水动力学响应的有益抑制），并人为地截断了多源不确定性从环境到土壤的连续传播。为了补偿这种物理相互作用和不确定性传播的丧失，工程师被迫在设计接口处应用高度保守的载荷系数。虽然这种确定性补偿旨在确保安全，但往往导致过度设计冗余，从而导致基础尺寸过大和项目成本增加（Passon和Branner，2014年；Smilden，2019年）。目前仍缺乏研究来量化与完全耦合基线相比，分体设计方法中引入的误差。
鉴于以上情况，本研究旨在解决两个关键问题：（1）当前概率框架中对岩土不确定性的系统性低估，其中确定性的基础模型未能反映实际地质条件的显著变异性，尽管它在单桩响应中起着重要作用；（2）行业标准分离设计方法的固有限制，这些方法人工切断了多源不确定性的传播，没有双向动态反馈，同时缺乏完全耦合和简化分离模型之间的定量误差评估。
本研究建立了一个完全耦合的OWT分析框架，考虑了多源不确定性（空气动力学、水动力学和岩土工程），并量化了不同不确定性对关键结构响应的贡献。提出了一种简化的分离模型，该模型具有等效的接口载荷传递，但缺乏空气动力学-水动力-岩土工程反馈，以模拟工业上的分体设计过程。本文的其余部分组织如下：第2节介绍了在多源不确定性下OWT的耦合可靠性分析框架，并定义了极限状态函数，第3节进一步开发了分离框架。第4节使用耦合和分离方法进行了案例研究。最后，第5节总结了主要结果。
章节摘要
使用OpenFAST进行建模
在本研究中，使用OpenFAST（Jonkman和Shaler，2021年）进行了OWT的完全耦合动态分析，OpenFAST是一个用于非线性时域分析的全面空气动力学-水动力学-伺服-弹性仿真工具。OpenFAST集成了控制空气动力学、海洋结构的水动力学、控制系统动力学和结构动力学模块，以模拟风力涡轮机的响应。OpenFAST源自FAST v8，并经历了持续更新和改进
分离可靠性分析框架
为了量化行业标准分体设计实践中的固有误差，本节建立了一个简化的分离分析框架，用于模拟涡轮机制造商和基础设计师之间的相互作用。图3比较了耦合和分离方法的力学传递和不确定性传播。分离方法通过两阶段程序执行。在第一阶段，对上部结构进行独立的空气动力学-水动力学-伺服-弹性分析
示例说明
本节使用一个广泛采用的NREL 5 MW参考OWT（由OC3单桩基础支撑，Jonkman等人，2009年；Jonkman和Musial，2010年）来比较所提出的耦合和分离可靠性分析框架。由于该参考涡轮机是根据行业趋势和其他参考涡轮机的数据设计的，因此本研究中的结果应被视为OWT基础可靠性分析的参考，而不是规范的基础
总结与结论
本研究建立了一个完全耦合的空气动力学-水动力学-岩土工程可靠性分析框架，以量化多源不确定性对OWT安全性的影响。它将土壤-桩相互作用建模、时域动态仿真和多源不确定性建模集成到OpenFAST平台中。还开发了一种简化的分离方法，以评估工业上的分体设计实践。通过NREL 5 MW参考OWT在三种IEC标准下的测试，对这些方法进行了验证和比较
CRediT作者贡献声明
Heng Zhou：撰写——原始草稿、验证、软件、方法论、调查、形式分析。Te Xiao：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、资金获取、概念化。Lulu Zhang：撰写——审阅与编辑。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争财务利益或个人关系可能会影响本文中报告的工作。
致谢
本研究得到了中国国家自然科学基金（项目编号52409136）的支持。
Heng Zhou|Te Xiao|Lulu Zhang
