风、波浪 - 潮流及地震联合荷载下单桩海上风机实时混合振动台试验

《Ocean Engineering》：Real-time hybrid shaking table test of a monopile offshore wind turbine under combined wind, wave–current, and seismic loading

　　

•用于多灾害单桩海上风力涡轮机分析的实时混合振动台试验。•使用椭圆桩修正改善水动力相似性。•带延迟补偿的管道风扇执行器用于实时边界力加载。•通过实时混合测试量化多灾害动力响应。•风主导位移，地震激励控制加速度和动力波动。引言近年来，由于海上风能具有大规模可再生能源生产的巨大潜力，发展迅速（Anaya-Lara等，2018）。随着海上风力涡轮机（OWT）的尺寸不断增大并部署在更深水域，确保其在复杂环境条件下的结构安全性和可靠性变得越来越关键（Bhattacharya，2019）。单桩基础仍然是OWT最广泛使用的支撑结构之一。在其服役期间，单桩OWT可能同时承受风力产生的气动载荷、波浪和潮流产生的水动力载荷，以及通过基础传递的地震激励，导致难以准确预测的复杂动力响应。数值模拟被广泛用于研究单桩OWT在组合环境载荷下的耦合响应。Wang等（2018）在OpenSees中开发了一个三维有限元模型，分析了单桩OWT在黏土中在风、波浪和地震联合作用下的动力响应。Yan等（2021）建立了10 MW单桩OWT的有限元壳体模型，研究了其在风、波浪、潮流和地震联合作用下的动力响应和屈曲行为。Xi等（2022）开发了一个集成的数值框架，用于分析受风-波浪-地震组合载荷作用的单桩OWT的动力响应，考虑了涡轮机的不同运行状态。最近，Guo等（2026）基于梁-非线性Winkler基础方法开发了一个单桩支撑10 MW OWT的数值模型，并系统地分析了其在风、波浪和地震载荷下的动力响应。这些研究推进了对单桩OWT耦合动力行为的理解，并证实了在结构响应评估中考虑联合作用的必要性。作为数值模拟的补充，物理模型试验为OWT结构的多灾害响应提供了直接的实验证据。Zheng等（2015）通过实验研究了地震激励和波浪对单桩风力涡轮机基础的联合作用，并报告波浪作用可以显著影响机舱加速度响应。Wang等（2017）对受地震、风、波浪和潮流联合作用下的OWT进行了模型试验和数值分析，强调了考虑多灾害耦合效应的重要性。Xu等（2024）对受风、波浪和地震联合作用下的单桩支撑OWT进行了振动台试验和数值分析，进一步证明了耦合环境和地震作用对结构响应和失效机理的显著影响。最近，Qian等（2026）对IEA 15 MW单桩支撑OWT进行了气动-地震耦合振动台试验，反映了人们对耦合气动和地震激励下大容量OWT的日益关注。这些实验研究为理解组合载荷条件下OWT的动力行为提供了有价值的证据。尽管有这些进展，现有的数值和实验方法仍面临一些局限性。数值模拟在捕捉非线性结构行为和表征复杂环境相互作用方面面临挑战，而物理模型试验常常受到比例尺问题的限制。对于海洋结构，在传统缩尺模型试验中同时满足结构动力、水动力和气动载荷的相似性要求是很困难的。特别是水动力相似性和结构相似性之间的不兼容，以及再现转子产生的气动载荷的困难，限制了传统模型试验在多灾害OWT分析中的应用（Han等，2023）。实时混合模拟（RTHS）通过将数值模拟与物理试验相结合，为应对这些挑战提供了一种有前景的方法（Nakashima等，1992；Zuo和Wang，2025）。在RTHS框架中，难以物理再现的组件可以通过数值建模，而感兴趣的组件则通过实验测试，从而克服了纯数值或实验方法的一些局限性。这种方法在海上风力涡轮机研究中的应用越来越多。Sauder等（2016）为无撑杆半潜式风力涡轮机开发了一种实时混合模型试验方法，其中气动载荷组件通过数值计算并实时施加到物理模型上。Thys等（2018）进一步在海洋池中对一个10 MW半潜式漂浮风力涡轮机进行了实时混合模型试验，其中波浪载荷通过物理方式施加，而转子和塔架载荷通过模拟并实时施加。Sun等（2022）提出了风-波浪载荷下漂浮OWT的实时混合模拟框架。最近，Fu等（2024）对单桩OWT进行了水动力-水弹-伺服-弹性评估的实时混合模型水槽试验，使用实时执行器在水槽中再现气动载荷。Shi等（2024）进一步开发并验证了单桩OWT实时混合模型试验的延迟补偿方法，突出了执行器延迟控制和力跟踪精度的重要性。尽管RTHS显示出明显的潜力，现有的OWT混合模拟研究仍有一些局限性。大多数现有的RTHS或混合模型试验都集中在漂浮OWT或风-波浪载荷场景上，其中气动效应通常通过波浪池试验中简化的转子推力执行来表征（Hmedi等，2023）。对于单桩支撑OWT，之前的工作主要建立了概念性或数值RTHS框架（Song等，2020），而在风、波浪-潮流和地震联合作用下实时混合试验的物理实现仍未得到充分探索。特别是，很少有研究在水下振动台试验环境中实施闭环实时混合试验，在该环境中水动力载荷、地震激励和实时边界力执行必须同时协调。因此，仍有几个技术挑战尚未解决。首先，需要为实验子结构确定一种合适的比例策略，以再现主要的结构动力特征，同时改善作用在淹没单桩上的水动力表征。其次，需要可靠的实时边界力执行，将数值叶片子结构计算的界面力施加到缩尺物理模型子结构上，而不是使用规定的或准静态气动载荷。第三，必须适当控制执行器延迟和力跟踪精度，以确保数值和实验子结构之间的稳定交互。此外，现有的混合或模型试验研究往往只关注有限的响应量，如位移或加速度，而耦合机制及其响应相关的差异仍未得到充分讨论。为了应对这些挑战，本研究对受风、波浪-潮流和地震联合作用下的单桩OWT进行了实时混合振动台试验。叶片被建模为全尺寸数值子结构，而机舱-轮毂组件、塔架和单桩基础由安装在水下振动台上的缩尺实验子结构表示。提出了一种弯曲弹性-重力相似性来设计缩尺实验子结构，并引入了椭圆修正以改善阻力主导水动力的表征。此外，使用管道风扇作为塔顶的边界力执行器，结合基于Arduino的控制系统和延迟补偿方法，实现了水下振动台环境中实时混合试验的实际应用。需要注意的是，将管道风扇用作气动载荷执行器的可行性已在之前的漂浮OWT混合模型试验中得到证实（Azcona等，2014；Oguz等，2018；Vittori等，2022）。基于测量的位移、加速度、弯矩和应力响应，进一步分析了风、波浪-潮流和地震作用之间的耦合机制。本文其余部分组织如下：首先，基于先前建立的概念RTHS框架开发实时混合试验，并根据弯曲弹性-重力相似性设计缩尺实验模型。随后，描述了基于管道风扇的边界力执行系统和延迟补偿方法。然后，介绍了实验装置和载荷条件。最后，系统地分析了动力特性、结构响应和多灾害耦合机制。章节摘要实时混合试验设计：本节介绍了单桩OWT的实时混合试验设计。首先，介绍了概念框架和闭环工作流程。然后，描述了实验子结构的比例策略，随后是缩尺模型的设计和相应的相似关系。本节的目的是为受联合风……作用的单桩OWT建立一种物理上有意义且实验可行的实时混合试验方法。管道风扇标定和补偿：本节描述了基于管道风扇的边界力执行系统的推力标定和延迟补偿。在闭环试验实施之前，首先进行了标定和验证试验，以建立推力-油门关系并评估动力加载性能。然后，进行了延迟识别和补偿试验，以提高实时混合试验的力跟踪精度和稳定性。实验装置和载荷条件：在建立缩尺模型和边界力执行系统后，实时混合试验在集成波浪-潮流发生系统的水下振动台上实施。本节介绍了研究中采用的实验装置和载荷条件。具体而言，首先介绍了试验设施和仪器，然后是仪器和测量方案。最后，定义了环境条件和载荷工况以模拟……结果与讨论：本节讨论了实时混合试验获得的缩尺OWT模型的动力特性和结构响应。分析包括基于白噪声激励的动力特性识别，然后是评估单和风、波浪-潮流和地震载荷工况下以及联合……的位移、加速度、弯矩和应力响应。风、波浪-潮流和地震作用之间的耦合机制进一步……结论：在本研究中，进行了单桩海上风力涡轮机在风、波浪-潮流和地震联合作用下的实时混合振动台试验。实验子结构基于弯曲弹性-重力相似性设计，并使用管道风扇作为塔顶的边界力执行器。主要结论总结如下：1. 所提出的实时混合试验设计提供了一种有效的方法，用于在……中实施实时混合试验。CRediT作者贡献声明：Yanhui Zuo：撰写—原稿，方法论，研究，形式分析，数据管理，概念构思。Mengyu Li：可视化，验证，软件。Tianyi Gao：可视化，验证，软件。Zhongxing Wang：撰写—审阅与编辑，监督，资源，项目管理，资金获取。Cheng Li：可视化，验证，软件。利益冲突声明：作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本论文中报告的工作。致谢：作者感谢天津市青年科技人才（项目编号：QN20230306）、国家地震工程科学中心自主基金（项目编号：2025ZZB2004）和天津市科技计划（项目编号：24ZYYYJC00100）提供的资金支持。Yanhui Zuo | Mengyu Li | Tianyi Gao | Zhongxing Wang | Cheng Li