水下航行器Z轴滚动分离式波动鳍的流体动力学性能研究

本文针对海上电气设备在随机波浪载荷下的疲劳测试难题，创新性提出基于损伤等效原理的多轴谐波加速试验方法（Dirlik频域法为基准），通过同步提升频率和振幅实现高效验证。研究以柔性直流换流阀（DC）为案例，解决了低频振动、多轴耦合和长周期测试三大痛点，为海洋电力装备可靠性设计提供新范式。

　　

Highlight

频域疲劳分析

在频域中，应力功率谱密度（PSD）以6×6矩阵形式呈现，包含六个独立应力张量分量的自谱密度和互谱密度（公式1）。该矩阵精确刻画了多轴耦合振动下应力场的复杂交互特性，为后续损伤评估奠定基础。

载荷传递过程

换流阀作为平台模块的核心部件，随船舶运输至海上风电场。研究采用JONSWAP波浪谱和船舶响应幅值算子（RAO）构建频域运动模型，通过加速度功率谱密度精准模拟真实海况激励。

Dirlik方法适用性验证

为验证基准方法的可靠性，选取换流阀子模块的五个损伤热点（图9）进行对比分析。以北黄海冬季工况（NYW）的船舶纵向加速度为输入，结果表明：Dirlik频域法的计算结果与雨流计数法误差仅±5%，显著优于传统窄带模型，完美适配宽带随机振动场景。

结论

本研究开创的谐波加速试验策略，成功将数月海运输振动压缩至实验室可操作周期。通过频率-振幅双变量加速和多轴耦合加载，实现了对柔性直流设备疲劳损伤的精准复现，为海洋电力装备"实验室造浪"提供了标准化解决方案。

CRediT作者贡献声明

张本强：主导概念设计、算法开发及论文撰写；李静：理论指导；陈建云：方法论构建；徐强：工程化验证。

基金声明

本研究受国家电网总部科技项目（No.4000-202455366A-3-1-DG）资助。

利益冲突声明

作者声明无任何可能影响研究结果的利益关联。