随着全球范围内缓解气候变化和实现碳中和的努力不断增加，清洁和可再生能源技术的部署变得越来越重要（Varotsos和Efstathiou，2019）。中国拥有丰富的海上风能资源，这些资源分布在其长达18,000公里的海岸线以及6000多个海上岛屿周围（Chatzidaki，2024）。
然而，中国大部分高质量的海上风能资源位于水深逐渐增加的区域。现有研究表明，当水深超过约50米时，传统的固定底部基础在经济上变得不具吸引力，相比之下浮动基础更具优势（Xu等人，2025；Yin等人，2025）。因此，浮动海上风力涡轮机（FOWT）已成为深水区域大规模海上风电开发的一种有前景的替代方案。
对于FOWT而言，系泊系统是浮动平台与海底锚之间的关键结构连接。它提供了恢复刚度，以限制平台运动并承受由平台运动和环境激励引起的复杂动态载荷。常见的系泊配置包括依靠重力提供恢复力的悬链系统；具有高刚度的紧绷腿系统；以及适用于恶劣海况的单点系泊系统。通常，系泊方法的选择基于系泊力要求、水深、系泊绳长度、中间浮标或配重的使用，以及海底地形和土壤条件等因素。这些系统中常用的材料包括链条、钢丝和合成纤维绳索（Lian等人，2023）。因此，提高系泊系统的安全性和可靠性对于FOWT的发展至关重要。
在系泊系统的各种极限状态中，系泊绳故障是在极端海况下最关键的故障模式之一。单根系泊绳的断裂可能会引发平台的大幅度漂移和剩余系泊绳中张力的剧烈重新分布，可能导致灾难性的连锁故障，对整个风电场的完整性构成严重威胁。然而，目前对这种故障事件的理解仍然主要基于定性观察评估，而系泊绳断裂后立即发生的瞬态响应过程和载荷重新分布机制尚不清晰。本研究重点关注在突然系泊绳故障情况下，大容量浮动风力涡轮机可能面临的重大安全挑战。
因此，世界各地的研究人员通过数值模拟和物理模型测试对系泊绳故障进行了广泛的研究。早期研究主要集中在低兆瓦级别的涡轮机上。Yang等人（2021）使用F2A耦合框架研究了5兆瓦级驳船型浮动风力涡轮机的系泊绳断裂响应，揭示了平台运动和绳索张力的显著变化，并证明了紧急停机措施的有效性。Zhang等人（2022）在他们对OC4半潜式平台的研究中表明，系泊故障的影响与系泊配置、断裂位置和环境载荷方向密切相关。关于浮动基础，Zhang等人（2024）评估了新型全潜式浮动风力平台在三种极端条件下的运动响应、系泊张力和系统冗余性：台风、强台风和超台风，得出系泊故障具有连锁特性的结论。这些发现突显了极端环境下系泊故障的潜在严重性；然而，当前的研究旨在通过考察更常见环境条件下的系泊故障动态来补充现有研究，尤其是对于大容量混合浮动风力涡轮机平台，这方面的实验验证仍然有限。对于南海的环境条件，Liu等人（2024）模拟了NREL 5兆瓦基准涡轮机单根系泊绳故障后平台的六自由度运动、结构载荷变化和剩余系泊系统中的张力重新分布。他们指出，当风向与断裂绳索方向一致时，系泊绳故障会显著增加平台的纵摇和横摇运动，平台漂移幅度可能与完好状态相比增加几个数量级。
在实验研究方面，Tang等人（2022）通过电磁控制在一个1:25比例的模型中模拟了两个上游系泊绳在10秒和30秒内的连续断裂，复制了系泊绳断裂情景。Tang等人（2023, 2025）对驳船型FOWT进行了1:64比例的模型测试，成功捕捉了单根和多根系泊绳连续断裂过程中的瞬态响应，从而为这些条件下的数值模型验证提供了宝贵的实验数据。A. Subbulakshmi和Mohit Verma（Subbulakshmi和Verma，2023, 2024）全面研究了配备NREL 5兆瓦涡轮机的DeepCwind半潜式平台的平台运动、系泊张力和塔架结构响应，包括正常运行和停机状态。他们研究了使用调谐质量阻尼器减少FOWT瞬态响应的有效性和可行性，并比较了上风和下风系泊绳故障的差异影响。他们的发现表明，上风系泊绳故障对系统响应的影响远大于下风故障，多根系泊绳同时断裂会进一步加剧结构响应。
最近的研究表明，将浮动风力涡轮机的容量从较低级别提升到15兆瓦会导致平台惯性和低频动态行为的显著变化，这些变化不能通过简单的线性缩放来描述。基于对质量、刚度和流体动力耦合效应的讨论，Papi和Bianchini（Papi和Bianchini，2022）在相同的海洋条件下比较了NREL 5兆瓦和IEA 15兆瓦级半潜式平台上的参考风力涡轮机。他们的结果显示，尽管15兆瓦系统的平台运动响应幅值（RAO）较低，但相关的塔基载荷显著增加。这表明大容量FOWT中的载荷放大主要是由质量相关的惯性和重力效应驱动的，而不是由波浪频率下的平台运动驱动的。此外，研究表明，15兆瓦设计的系泊系统需要更高的刚度和质量来保持位置稳定，这证实了系泊系统对低频纵摇和俯仰动态有显著影响，不能将其视为被动缩放的组件。这些发现强调了针对15兆瓦级浮动风力涡轮机的系泊动态和故障行为进行专门研究的必要性。
尽管有这些来自放大研究的见解，但针对15兆瓦级浮动风力涡轮机的系泊行为的实验研究仍然有限。Tang等人（2024）对安装在VolturnUS-S半潜式平台上的IEA 15兆瓦级参考风力涡轮机的系泊系统进行了开创性的深入研究。他们比较了全链悬链系统和半紧绷系泊系统在各种条件下的性能，验证了剩余系泊绳中的张力没有超过断裂强度。Mao等人（2022）和Sun等人（2023）分别开发了基于神经网络的系泊绳早期损伤检测方法和故障后实时张力预测方法。He等人（2025）引入了平均条件超越率（ACER）方法，用于预测半潜式平台在系泊绳故障后的动态响应的极值，显著提高了对平台最大偏移和故障后系泊绳张力的预测准确性。
上述研究在较小规模浮动风力涡轮机（如5兆瓦级）的系泊故障场景的数值模拟和模型测试方面取得了显著进展。然而，针对大容量浮动风力涡轮机的系统实验研究，特别是模型水池测试和相关数值模型验证仍然相对较少。为了应对这些挑战，本研究重点关注由半潜式混合浮动平台支撑的IEA 15兆瓦级参考风力涡轮机。提出并验证了一种系统工作流程，用于研究系泊绳断裂，结合了数值模拟、关键场景筛选和波浪水池实验再现。通过这种综合方法，可以一致地捕捉和交叉验证突然绳索故障后的动态平台响应和系泊张力演变，证明了所提出的数值-实验框架的可行性和稳健性。
第2节详细描述了全尺寸涡轮机和混合浮动基础。第3节介绍了实验模型设置。第4节展示了静态刚度测试、自由衰减测试和RAO校准测试的结果。第5节展示了在风和波浪联合条件下的实验数据，验证了在缩放平台上进行系泊故障测试的可行性。随后，对不同南海条件下的混合浮动基础的系泊绳故障进行了数值模拟。从这些模拟中选出的关键场景进行了水池中的物理测试，从而分析和验证了系泊绳张力和平台运动响应。第6节提出了结论。
