《Journal of Marine Science and Engineering》：Simulation Methodologies for Fatigue Damage Estimation in Subsea Power Cable Conductors: A Comparative Study
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浮式海上风电系统向更深水域的部署，因复杂的机械、环境和运行因素，给海底电力电缆带来了额外挑战。其中，确保电缆长期寿命需要可靠的疲劳损伤评估；本研究通过应用一种整合全局与局部分析的波浪疲劳方法来解决这一问题。该方法的核心是自适应滞后模型（Adaptive Hys
浮式海上风电系统向更深水域的部署，因复杂的机械、环境和运行因素，给海底电力电缆带来了额外挑战。其中，确保电缆长期寿命需要可靠的疲劳损伤评估；本研究通过应用一种整合全局与局部分析的波浪疲劳方法来解决这一问题。该方法的核心是自适应滞后模型（Adaptive Hysteresis Model, AHM），用于将全局载荷转换为局部应变。为评估其有效性，将该方法应用于一回400 kV直流海底电力电缆设计。来自详细局部分析的应变参数被用于将全局载荷转换为局部应变，随后采用雨流计数法提取应变范围。将识别出的应变范围与疲劳曲线对比，以确定失效循环数，并使用Miner–Palmgren求和法计算累积损伤。研究证明了自适应滞后模型的效率，并揭示了高阶滞后方法与简化应变传递方法在预测高阶螺旋铺设元件应变范围和疲劳损伤时的差异。
随着浮式风电向更深水域发展，海底电力电缆（subsea power cable, SPC）在浮式海上风电（floating offshore wind, FOW）系统中承受波浪、海流、浮体运动等复杂联合作用。行业标准如CIGRE、DNV-ST-0119和DNV-RP-F401要求进行综合评估，但以往许多FOW疲劳研究对螺旋铺设元件采用简化假设，如完全粘着、完全滑移或中间状态，对粘着-滑移（stick-slip）行为考虑不足，且缺乏验证。本研究目的是量化常用建模假设对疲劳损伤预测的影响，比较六种应变传递方法。研究人员以400 kV直流动态SPC为对象，基于Asyikin等建立的全球分析模型，该模型针对挪威北海Utsira Nord场址、水深260 m的浮式变电站，采用集成全局与局部分析的波浪疲劳方法；以UFLEX2D局部分析模型和超单元（Super-Element, SE）方法提取应变参数，以自适应滞后模型（Adaptive Hysteresis Model, AHM）将全局张力与曲率转换为局部应变，再经雨流计数法和Miner–Palmgren准则计算累积损伤。研究证实AHM能高效捕捉高阶螺旋元件的非线性粘着-滑移行为；与全阶（all order, AO）方法相比，修正一阶元件法（modified first-order element, MOE）和简化一阶元件法（simplified first-order element, SOE）分别高估疲劳损伤42%和1184%，线性方法完全粘着（full stick, FS）、全一阶滑移（full first-order slip, FFS）高估，全二阶滑移（full second-order slip, FSS）低估，且热点位置改变。该成果发表在《Journal of Marine Science and Engineering》。
主要技术方法：(1) OrcaFlex时域全局波浪疲劳分析，环境数据取自Asyikin等针对Utsira Nord场址的长期波浪散布图，未计海流与浮体偏移；(2) UFLEX2D局部截面分析与超单元方法提取各阶应变参数；(3) AHM多线性滞后模型转换全局荷载为局部应变，比较AO、SOE、MOE、FS、FFS、FSS六种方法；(4) 雨流计数法提取应变范围，线性S-N曲线与Miner–Palmgren求和计算损伤。
疲劳损伤整体结果：对弯曲加强器（bend stiffener, BS）区域18个节点，每节点进行19,056次3600 s应变时间序列转换，时间步长0.1 s，对应397个模拟荷载案例、8个纤维方向和6种方法。按海况出现概率加权得到年度损伤。与AO相比，MOE和SOE分别高估42%和1184%，与Karlsen早期研究趋势一致；FS和FFS也高估，其中FS最严重；FSS则明显低估。
热点位置：将各方法损伤按各自最大值归一化后，AO与MOE预测最大损伤靠近BS根部，SOE、FS、FFS和FSS将热点移至BS端部，说明应变传递假设显著影响损伤空间分布。
应变范围分布：在临界节点和临界方向上，AO与MOE在约1.5×10
5次循环前呈近似线性，之后出现显著下降，对应二阶滑移条件；SOE在两阶之间过渡更平滑，趋势更接近线性方法；三种线性方法FS、FFS、FSS呈向下弯曲的S-N趋势。除FSS外，各简化方法均高估应变范围。
设计疲劳因子校核：按SPC波浪疲劳常用设计疲劳因子（Design Fatigue Factor, DFF）10和25年设计寿命，允许总损伤为0.1。除FS方法总损伤57.3外，其余方法均在该限值内。
讨论总结：不同研究中采用的方法差异较大；简化线性模型虽计算高效，但无法表征层间滑移带来的非线性，工业界已转向滞后类模型。AHM已应用于海缆和脐带缆疲劳评估，但尚未用于柔性立管。应变传递方法的选择直接影响BS尺寸、接口载荷与安全性。预测精度还依赖材料、摩擦、环境与浮体响应等输入数据质量。本研究采用统一线性S-N曲线和Miner–Palmgren准则以隔离方法差异，未考虑海流、浮体偏移、荷载顺序和不确定性；结果基于单一400 kV电缆设计，但类似高阶与简化方法差异在另一电缆应用中也曾出现。AHM在元素通过中性轴（neutral axis, NA）时存在存储应变释放的解析问题，现有缓解措施尚未充分验证。
研究结论翻译：随着离岸能源系统向更深水域部署，SPC需在动态荷载下保持结构完整性。本研究的关键贡献是应用AHM，将全局荷载高效转换为局部应变，准确捕捉高阶螺旋元件的非线性粘着-滑移行为，为SPC导体疲劳评估提供高阶应变传递方法。与经过验证的UFLEX2D局部模型对比展示了其应变传递能力。线性假设无法反映螺旋元件的非线性力学行为，导致应变响应和疲劳损伤估计不同；简化一阶方法由于忽略动态荷载下元件间关键相互作用而高估
