在船舶碰撞作用下的运营中的浮动海上风力涡轮机的动态行为

《Ocean Engineering》：Dynamic behaviors of operational floating offshore wind turbines subjected to ship collisions

浮式海上风电 Turbine 船撞动态响应研究基于精细化有限元模型，耦合空气动力学与流体动力学效应，分析3000 DWT货船以2-6 m/s速度撞击不同厚度船体板和浮式柱时的多阶段碰撞机制。研究发现碰撞能量交换主要发生在初始接触阶段，船体与FOWT的损伤程度与风速方向显著相关，而风速影响相对有限。验证了考虑风-浪-结构耦合作用的多体动力学仿真方法。

　　

叶旭东|杨晓强|范伟|杨敏东|毕凯明

中国香港香港理工大学土木与环境工程系，沿海城市气候韧性国家重点实验室

摘要

随着海上风电产业的快速发展，船舶与浮动式海上风力涡轮机（FOWTs）之间的碰撞已成为一个亟待关注的问题。然而，关于这一主题的研究仍然较少。为填补这一空白，本研究进行了精细的有限元（FE）分析，以探讨运行中的FOWTs在遭受船舶碰撞时的动态响应。选择了一艘载重量为3000吨、质量为4000吨的货船作为撞击对象。通过耦合程序考虑了空气动力学和流体动力学效应。通过将模型结果与以往的研究和基准数据进行比较来验证模型的准确性。研究了关键参数（包括撞击速度、板厚、风向和风速）对碰撞动态的影响。研究结果表明，船舶与FOWT之间的碰撞过程是多阶段的，能量主要在初次碰撞阶段交换。在不同撞击速度和板厚条件下观察到了不同的碰撞模式和结构损伤。船舶和FOWT的损伤都与风向有关，而风速对FOWT的动态响应影响有限。这些发现为FOWTs的碰撞行为提供了宝贵的见解，有助于其在海上环境中的设计和安全评估。

引言

过去十年中，海上风电能源产业发展迅速，预计到2033年底，海上风力涡轮机（OWTs）的装机容量将达到488吉瓦，其中浮动式海上风力涡轮机（FOWTs）将占6%（GWEC，2024年）。与固定式OWTs相比，FOWTs具有显著优势：它们可以在更深的水域获取更强、更稳定的风能资源，同时将对沿海社区的影响降到最低（Nielsen，2022年）。这些优势加上它们可以在更远的海上部署的能力，使FOWTs成为海洋经济的重要推动力。

无论是固定式还是浮动式的海上风力涡轮机，在其运行寿命期间都可能发生与船舶的碰撞，从而对船舶和风力涡轮机造成严重损坏。在极端情况下，这些碰撞可能导致船舶沉没和/或风力涡轮机倒塌。例如，2022年1月31日，一艘名为Julietta D的失控货船与荷兰Hollandse Kust Zuid风电场的一台风力涡轮机相撞，导致单桩基础出现大凹陷（Adnan，2022年）；2024年9月19日，一艘服务作业船与英国Hornsea One海上风电场的一台风力涡轮机相撞，导致船舶和风力涡轮机均受到损坏（Adnan，2024年）。由于海上风电场的快速建设，此类事故的报告最近有所增加，造成了巨大的经济损失和人员伤亡。因此，对船舶-OWT碰撞进行全面分析并研究其动态特性至关重要。

与固定式OWTs相比，FOWTs表现出更复杂的流体动力学（结构与波浪/水流载荷的耦合）和空气动力学（旋转叶片在风作用下的行为）特性。为了准确捕捉风力涡轮机的结构动态，必须考虑这些效应对FOWT的影响。目前，相关研究非常有限。在实验研究中，只有Ren等人（2023年）研究了直径较大的钢管在摆锤撞击下的变形行为，但该研究通过边界安装的弹簧简化了流固耦合（FSI）效应，未能真实反映流体动力学效应。此外，Pedersen和Zhang（1998年）以及Liu和Amdahl（2010年）分别推导了二维（2D）和三维（3D）船舶-浮体碰撞的封闭形式表达式，这些表达式可以扩展用于估算船舶-FOWT碰撞中的能量耗散。基于3D撞击动态模型（Liu和Amdahl，2010年），Zhang等人（2021年）改进了aero-hydro-servo-elastic全耦合工具DARwind，以预测船舶碰撞后FOWT的外部动态，其中考虑了风浪的共同作用。Márquez等人（2022年）开发了一个同时考虑局部结构损伤和整体刚体运动的FOWT力学模型，其与NLFEA结果的一致性表明该模型的准确性较高。

与有限的实验和分析研究相比，针对FOWTs的数值研究相对较多。对于半潜式FOWTs，Yu等人（2022年）采用解耦方法分析了船舶碰撞下预应力混凝土柱的动态响应。首先进行了船舶-刚性柱碰撞模拟以确定力-压痕关系，随后结合环境载荷进行全局响应分析。结果表明，高能量碰撞在遇到逆风时显著增加了翻船的风险。同样，Sha等人（2022年）也采用了相同方法研究了RC柱在船舶碰撞下的损伤情况，但后续的全局运动分析尚未完成。Yu等人（2024年）限制了钢柱的全局运动，并使用精细网格更准确地描述了碰撞行为。尽管解耦方法提高了计算效率，但由于在计算内能交换时忽略了外部能量耗散，导致结构损伤和动态响应被系统性高估。相比之下，Zong等人（2023年）通过双向FSI方法考虑了环境载荷，研究了薄壁钢柱在船舶碰撞下的动态响应。然而，较大的流体域限制了模型的精度，影响了局部损伤的准确模拟。对于桁架型FOWTs，Ha和Kim（2022年）初步评估了加固桁架在与刚性船舶侧向碰撞时的结构损伤和残余强度，但忽略了结构外部动态。为了平衡计算精度和效率，最近提出了半耦合方法，有效考虑了外部动态，同时关注内部力学。Echeverry等人（2019年）使用这种方法研究了FOWTs的抗撞性。研究指出，流体动力、系泊作用、压载物和机舱质量是影响挤压响应的关键因素。此外，假设船舶为刚性结构在碰撞分析中过于保守。Ren等人（2022年）开发了一个精细的半耦合FE模型用于船舶-FOWT碰撞，并验证了整体FOWT动态的有效性。结果表明，撞击力和结构压痕几乎随撞击速度的增加而线性增加。此外，研究发现撞击船头的可变形性对FOWT的整体响应影响很小。Zhang和Hu（2022年）将风、波浪和系泊载荷的影响纳入船舶-FOWT碰撞分析中，发现风浪共同作用条件下结构倒塌的风险最大。同时，撞击速度和塔架的柔韧性也会影响FOWT的结构响应。与解耦方法相比，半耦合方法在预测FOWTs的整体运动时牺牲了一定的精度，但在捕捉内部力学方面提高了精度。

上述文献综述揭示了现有船舶-FOWT碰撞研究的几个局限性。首先，为了简化分析，许多研究将撞击船舶（Echeverry等人，2019年；Ha和Kim，2022年；Ren等人，2022年；Zhang和Hu，2022年）或FOWT（Yu等人，2022年；Zhang和Hu，2022年）建模为刚体，只有少数研究关注船舶和FOWT的联合损伤，这可能导致整体结构响应被高估，因为船舶/FOWT的局部变形可能会消耗撞击能量。其次，通常假设FOWTs在船舶碰撞期间处于静止状态（Echeverry等人，2019年；Ha和Kim，2022年；Ren等人，2022年），忽略了空气动力学效应的影响。实际上，船舶与FOWT的接触位置会随风方向和风速变化，这可能进一步影响碰撞行为。这些局限性凸显了需要更全面的模型，以同时考虑船舶和FOWT的外部动态和内部力学。

因此，本研究进行了船舶-FOWT碰撞的数值模拟，结合了空气动力学和流体动力学。通过研究不同参数（包括撞击速度、板厚、风向和风速）下船舶与FOWT之间的相互作用来分析碰撞机制。与现有研究相比，开发了具有可变形和可旋转叶片的精细FOWT模型，以模拟风诱导的结构振动。研究了风向和板厚对动态响应的影响。此外，还提供了关于撞击速度和风速影响的新的见解。

本文的其余部分结构如下：第2节介绍FE模型的开发，第3节对其进行了验证。第4节讨论了碰撞机制，第5节进行了参数研究。最后，第6节总结了主要研究结果。

节选内容

FE模型开发

本节开发了考虑空气动力学和流体动力学的详细FE模型，用于模拟船舶与运行中的FOWT的碰撞。

模型验证

本节首先验证了考虑空气动力学和流体动力学的FE模型，然后验证了碰撞建模方法。

碰撞机制

本节模拟了船舶与运行中的FOWT的碰撞，分析了船舶与FOWT之间的碰撞机制。

参数研究

本节系统研究了不同参数对动态响应的影响，包括撞击速度（表9中的案例1-5）、板厚（案例3、6-9）、风向（案例4、10-13、18）和风速（案例1、4、14-19）。撞击速度范围为2至6米/秒，以代表不同的初始动能。此外，还研究了船舶（8毫米、12毫米和16毫米）和桁架（35毫米、40毫米）的不同外板厚度

结论

本文通过数值模拟研究了运行中的FOWT在船舶碰撞下的动态响应。在LS-DYNA中建立了船舶和FOWT的精细数值模型。通过将风力时间历史应用于涡轮叶片和塔架来考虑空气动力学效应。同时，使用MCOL程序考虑了流体动力学效应。通过特征值分析和与FAST的对比模拟来验证模型

CRediT作者贡献声明

叶旭东：写作 – 审稿与编辑，撰写原始草稿，可视化，软件开发，方法论研究，概念构思。杨晓强：写作 – 审稿与编辑，监督，研究指导。范伟：写作 – 审稿与编辑，监督。杨敏东：资源协调。毕凯明：写作 – 审稿与编辑，监督，概念构思。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究工作。

致谢

本研究部分得到了香港理工大学沿海城市气候韧性国家重点实验室和广东-香港海洋基础设施联合实验室（2025B1212150001）的支持。