漂浮式海上风电水下结构失效分析与载荷控制创新研究

《RELIABILITY ENGINEERING & SYSTEM SAFETY》：Failure analysis and load mitigation of underwater structures in floating offshore wind turbines

本文提出了一种创新的计算框架，结合矢量形式内蕴有限元（VFIFE）方法和动态模型实验，深入研究了极端海况下漂浮式海上风电（FOWT）系统气动-水力-系泊-电缆（aero-hydro-mooring-cable）耦合动力学及其水下结构（如系泊线拖锚、电缆断裂）的失效场景。研究不仅成功预测了系统的动态响应，还创新性地提出了在电缆两端加装弹性支撑的载荷减缓方案，并通过等效弹簧摆模型和实验验证了其有效性。该框架为FOWT工程安全与失效诊断提供了重要参考。

　　

Section snippets

Model description

系统示意图如图2所示。该系统主要由一个直接由FOWT供电的FOOGP、一个FOWT、六根系泊缆和一根带浮筒的动态电力电缆组成。

Equation of motion of floating platforms

考虑了刚性平台体的六自由度运动。平台的运动方程可写为 [55,56]

(M + A(∞)) d²X/dt² + ∫₀^t h(t-τ) dX/dt dτ + B^damp |dX/dt|

Dynamic responses of the system

如上所述，选择了一个50年一遇的极端海况。在此海况下，三种可能的失效场景将由上述计算框架自动判断并持续计算后续动态响应。在此极端条件下的400秒内，电缆末端B的张力在36秒时超过了P_c，锚1的张力在243.6秒时超过了P_a，但在整个过程中所有六个导缆器的张力均未超过P_m。

Spring pendulum model of load mitigation measure for cable

为了降低电缆载荷以避免断裂失效，提出了一种在电缆两端并联附加弹性支撑的方案。其中一个弹簧端安装在浮式平台的柱底，另一个弹簧端安装在电缆末端附近的第二个节点上，如图10 (a)所示。可以提取一个斜弹簧摆系统的等效力学模型来分析这种载荷减缓措施的效果。

Experimental validations

为了评估所提出的计算框架和电缆载荷减缓措施的性能，在先前分析相似的工况下进行了模型实验，并基于提出的计算框架建立了相应的数值模型。然后，计算了模型在不同实验条件下的时域动态响应，并与测量数据进行了比较。需要提及的是，由于...

Conclusions

基于VFIFE方法，数值计算并分析了在极端海况下由FOWT直接供电的FOOGP耦合系统的两种不同水下结构失效场景。失效场景包括系泊线拖锚和电缆断裂。提出并理论研究了在电缆两端并联弹性支撑以减载和避免断裂的方案，该方案基于一个等效的...