《Ocean Engineering》：A fully coupled assessment methodology for CFST tubular brace joints in floating wind turbines based on fictitious equivalent tube modeling
编辑推荐：
•FET 算法在不修改求解器内核的情况下将钢管混凝土（CFST）截面嵌入 OpenFAST。•交叉支撑布局优化将支撑杆长度从 52 米缩短至 39.12 米，使欧拉屈曲力提高 1.8 倍，水平刚度提高 2.4 倍。•钢管混凝土处理后热点应力下降 77.7%（226.5→50.
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FET 算法在不修改求解器内核的情况下将钢管混凝土（CFST）截面嵌入 OpenFAST。
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交叉支撑布局优化将支撑杆长度从 52 米缩短至 39.12 米，使欧拉屈曲力提高 1.8 倍，水平刚度提高 2.4 倍。
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钢管混凝土处理后热点应力下降 77.7%（226.5→50.5 兆帕），高于 50 兆帕的高能应力循环几乎消除。
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33.3 吨局部灌浆对平台运动产生的影响微乎其微（在 0.6% 以内）。
引言
过去二十年，海上风力发电机组容量稳步增长，浮动支撑结构的几何尺度以及风浪载荷量级也随之增加。更大的转子直径和更高的塔架提高了能量捕获效率，但也降低了整体结构刚度，使得浮动系统在风浪联合作用下的耦合动力响应更为显著。这种耦合响应不仅涉及塔架气弹性与平台刚体运动之间的相互作用，还包括平台运动引起的水动力附加质量和辐射阻尼效应，使得部件级应力状态比固定底基更为复杂。作为 IEA Wind Task 30 的基准模型开发的 OC4-DeepCwind 半潜式平台（图 1）（Robertson 等人，2014），是大型浮动风机升功率设计的关键参考。简单的几何缩放无法重现质量分布、转动惯量和水动力附加质量的耦合效应（Pinto 等人，2020）；浮动子结构部件的局部载荷响应在升功率后并不随功率等级线性缩放。大多数现有研究集中在从 5 兆瓦到 10 兆瓦或 15 兆瓦的功率跳跃上（Lyu 和 Falzarano，2025；Wang 和 Moan，2024），而已经进入商业部署的 5 兆瓦到 8 兆瓦中间范围（Desmond 等人，2016），其浮动子结构部件局部载荷效应的演化尚未得到充分的量化。
Pinto 等人（2020）通过 CFD 对比表明，简单的线性缩放无法重现质量分布、转动惯量和水动力附加质量的耦合效应。在方法论层面，Leimeister 等人（2016）提出了合理的升功率程序，指出必须在统一框架内评估稳定性、低频响应和系泊约束；Wu 和 Kim（2021）进一步量化了柱半径和间距对升沉、纵摇和材料成本的耦合敏感性。然而，这些升功率方法主要解决几何和质量层面的相似性问题，未考虑空气动力和水动力载荷随尺度变化的非线性演化。Luo 等人（2024）证实，在大平台运动下，空气动力阻尼强度不再随模型线性缩放；Lyu 和 Falzarano（2025）揭示，在线性势流假设下，极端海况下升沉和纵摇中的非线性回复力和辐射阻尼被忽略。这些发现导致相同的结论：部件级载荷评估不能依赖于从小型模型线性外推的结果。Wang 和 Moan（2024）采用多体建模方法首次量化了 10 兆瓦半潜式船体柱的极端内部应力，同时指出大多数现有研究仅涉及浮体的刚体运动，飞溅区管节点在多轴循环载荷下的应力演化量化不足。
飞溅区气 - 水界面处的相交管节点是主要的载荷传递位置。通过塔架传递的倾覆力矩在支撑杆端部引入轴向压缩偏载；波浪砰击和平台振荡叠加了面外弯矩（图 1）；海水腐蚀结合干湿循环进一步加剧了多轴疲劳累积。大径厚比（D/t > 30）的纯钢圆形管节点应力集中显著（Wang 等人，2023），局部临界屈曲系数低至 1.18（Ha 和 Yu，2021），接近设计安全阈值。传统的加厚壁厚方法面临重型钢板冷轧非均匀塑性变形和多道焊接层状撕裂的双重制造约束（Marshall，1992；AWS，2020），并与支撑系统的轻量化目标相冲突。因此，需要在极端载荷位置采用一种经济且高强度的加固方案。
用于大跨度拱桥的钢管混凝土（CFST）为海上风机支撑结构设计提供了一条途径（Chen 等人，2023）。在飞溅区节点的弦杆局部填充高强混凝土，提供混凝土核心的径向支撑，抑制薄壁钢管的椭圆化，增强局部屈曲阻力和极限承载力，同时增加局部弯曲刚度和截面惯性矩，从而降低风浪联合作用下的多轴动态应力幅值并减轻疲劳损伤累积（Chen 等人，2023；Xia 等人，2024）。该局部钢管混凝土方案不改变外部水动力边界，实现了大型浮动平台钢材消耗控制与节点抗疲劳性之间的平衡（Zhao 等人，2022）。
Carmo 等人（2024）最近验证了 OpenFAST 的 SubDyn 模块在预测子结构部件级载荷方面与 FOCAL 实验活动的载荷传感器测量值的准确性，显示测量部件载荷的标准差可控制在 14% 以内。然而，在风 - 水 - 弹全耦合模拟中准确表示钢管混凝土复合截面仍然是一个算法限制。SubDyn 模块基于均质梁理论制定，无法直接定义非均质截面（Jonkman 等人，2019）；传统的加权平均等效方法导致局部弯曲刚度矩阵畸变和系统固有频率偏移（Zhao 等人，2022；Jonkman 等人，2019）。如何在固定外部水动力边界的约束下实现复合截面刚度和质量的协调重构，仍然是当前宏观水平时域求解中未解决的问题。本文提出了虚等效管（FET）算法（图 2），通过反演映射构建等效均质截面，在不修改求解器内核的情况下实现钢管混凝土效应的高保真时域兼容性。
基于上述内容，本文以 LEANWIND 8 兆瓦风机为设计参考（Desmond 等人，2016），选择 OC4-DeepCwind 5 兆瓦半潜式平台作为基准，使用弗劳德相似律重构 8 兆瓦浮动支撑结构，确定飞溅区最关键的支撑节点，并引入钢管混凝土加固。提出 FET 算法反演求解钢管混凝土截面的等效弯曲刚度和质量分布，将其映射到均质虚拟管单元。在 OpenFAST 中保持其他参数不变，进行 8 兆瓦纯钢节点和钢管混凝土节点的全耦合验证和热点应力对比。
章节摘要
浮动平台重构与载荷工况定义
在实施节点加固方案之前，必须首先建立从 5 兆瓦原型到 8 兆瓦尺度的几何和质量重构。本节完成三项任务：(1) 基于弗劳德相似律将 OC4-DeepCwind 5 兆瓦平台放大到 8 兆瓦尺度；(2) 构建和验证全耦合时域数值模型；以及 (3) 根据 IEC 61400-3-2 定义 DLC 6.1 极端海况（IEC，2025），为提供载荷边界
钢管混凝土加固方案的介绍
本节首先计算 DLC 6.1 条件下纯钢平台的动力响应，以确定飞溅区最关键的部件。随后分析传统加厚壁厚方法的制造局限性，并提出引入钢管混凝土局部加固的力学原理。最后，为了克服 SubDyn 模块无法直接定义非均质复合截面的限制，基于
全局全耦合验证与节点热点应力分析
本节通过刚体运动对比、全填充敏感性和柔性子结构求解进行验证，表明在 FET 算法引入局部加固效应后，系统全局运动和水动力特性不表现出畸变。在此基础上，增加仅波浪和仅风控制工况，量化风和波浪载荷对支撑节点应力的单独贡献；最关键的热点应力时程
结论
当 OC4-DeepCwind 半潜式平台放大到 8 兆瓦时，飞溅区支撑节点面临局部屈曲和多轴应力循环的耦合风险。以 LEANWIND 8 兆瓦风机为参考（Desmond 等人，2016），本文基于 OC4-DeepCwind 5 兆瓦基准（Robertson 等人，2014），使用弗劳德相似律（λ = 1.17）重构了一个 8 兆瓦浮动支撑结构。对三个飞溅区交叉支撑提出局部钢管混凝土灌浆加固方案
CRediT 作者贡献声明
Taiyu Qi： 写作 – 原稿，验证，软件，项目管理，调查，形式分析，数据整理。Yanqi Liu： 写作 – 审阅与编辑，可视化，验证，软件，方法论，调查。Xianhui You： 写作 – 审阅与编辑，验证，监督，资源，项目管理，调查，数据整理。Zhaojian Zhang： 可视化，监督，方法论，调查，概念化。Kangming Chen： 写作 – 审阅与编辑，
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性经济利益或个人关系可能影响本文所报告的工作。
致谢
作者感谢福建省重大科技专项 (Grant No.2025HZ024010) 和福建省产学研合作基金 (Grant No.2026H6007) 的支持。
Taiyu Qi|Yanqi Liu|Xianhui You|Zhaojian Zhang|Kangming Chen
