《Ocean Engineering》：Integrating multibody dynamics and finite element methods for modelling seismic responses of monopile-supported wind turbines considering wind-structure-soil interaction
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风-结构-土耦合分析通过多体动力学-有限元耦合框架实现，有效考虑了叶轮空气动力学特性、塔筒非线性变形及土-结构相互作用，实验验证了其在地震响应分析中的准确性。
Kun Lin|Xinnan Wei|Annan Zhou
哈尔滨工业大学智能土木与海洋工程学院，深圳，518055，中国
摘要
风力涡轮机越来越多地被安装在地震活跃地区，在这些地区，地震荷载会显著影响其结构完整性和运行可靠性。本研究提出了一种新颖的风-结构-土相互作用（WSSI）分析框架，用于分析单桩支撑风力涡轮机（MWTs）的动态响应，该框架结合了多体动力学（MBD）和有限元方法（FEM）。转子系统基于基本动力学原理通过MBD进行建模，而风荷载则利用叶片元动量（BEM）理论精确确定。塔架通过FEM进行建模，同时考虑了几何和非线性材料特性，以真实反映其在地震激励下的响应。此外，还引入了边界表面p-y模型来考虑土-结构相互作用。开发了一个专用的转子-机舱接口程序，以实现MBD和FEM子系统之间的实时数据交换，确保完全耦合的动态交互。所提出的框架通过实际运行中的MWTs的地震响应测试数据进行了验证，与测量结果高度一致。总体而言，本研究为研究风力涡轮机的地震响应提供了一种系统且高效的方法，为它们的地震设计和安全评估提供了宝贵的见解。
引言
由于化石燃料的广泛和长期消耗，全球气候和环境问题日益严重，迫切需要清洁和可持续的能源替代品。在各种可再生能源中，风能因其丰富性、清洁性和可再生性而脱颖而出，已成为全球能源转型的关键组成部分（Gasch和Twele，2011）。作为将风能转化为电能的主要技术，风力涡轮机的规模和安装容量在过去几十年中持续增长（Feng等人，2015）。现代风力涡轮机趋向于更大的转子直径和更高的塔架，以提高能量捕获效率，但这也使它们更加灵活，从而对动态和横向荷载更加敏感（Lombardi等人，2013）。
实际上，风电场通常位于风资源丰富且稳定的地区，如中国东南沿海地区和北美洲的部分地区（Willis等人，2018；Windeurope，2020）。然而，许多这些地区与地震活跃的断层带重合（De Risi等人，2018），使风力涡轮机面临潜在的地震危险。强烈的地震事件可能导致严重的结构响应，包括塔架屈服、基础过度变形，甚至结构完全倾覆。这些风险已通过地震后的调查和以往地震事件中记录的风力涡轮机故障得到验证（Wang和Ishihara，2024）。因此，准确预测风力涡轮机结构的地震响应对于改进地震设计、确保结构安全和支持风能基础设施的可持续发展至关重要。
风力涡轮机的地震响应分析本质上非常复杂，因为空气动力学、结构和岩土工程子系统之间存在强烈的耦合（Xi等人，2022；Jahani等人，2022），这种耦合表现为风-结构-土相互作用（WSSI）。可靠的分析必须同时考虑：（1）在复杂荷载和边界条件下控制结构损伤起始和发展的几何和非线性材料特性（Yan等人，2021；Ngo和Kim，2024；Islam等人，2025）；（2）通过转子旋转、空气动力力和叶片振动引入风-结构耦合效应的运行条件（Valamanesh和Myers，2014；Devriendt等人，2014；Chen等人，2021a）；以及（3）在地震激励下控制结构（如桩基）非线性刚度和能量耗散特性的结构-土相互作用（Liu等人，2022；Ngo和Kim，2024；Wang等人，2025）。
在现有的分析技术中，有限元方法（FEM）仍然是最广泛使用和最有效的方法，因为它能够准确模拟风力涡轮机结构在地震荷载作用下的应力分布、变形模式和渐进性失效机制。例如，许多研究使用FEM来研究风力涡轮机的地震行为和潜在损伤。Asareh等人（2016）提出了一个NREL 5 MW风力涡轮机的有限元模型，并采用固定基础边界条件，其中风荷载通过叶片元动量（BEM）理论预先计算后作为外力施加以评估地震损伤。Vatanchian和Shooshtari（2018）建立了一个5 MW风力涡轮机的有限元模型，使用宏观元素模型来表示土-结构相互作用（SSI），并施加预先计算的气动荷载来研究地震期间的风-结构-基础耦合动力学。Yan等人（2021）开发了一个10 MW MWT的有限元模型，沿桩体分布了p-y弹簧来表示土壤效应，并研究了土壤条件对地震响应的影响，其中风荷载使用OpenFAST预先计算后应用于有限元模型。类似地，Mo等人（2021）在OpenSees中开发了一个5 MW单桩支撑风力涡轮机的有限元模型，风荷载使用OpenFAST计算。在这个模型中，使用p-y弹簧方法表示桩-土相互作用，并分析了不同方向地震下结构的损伤和倒塌过程。最近，Duan等人（2024）开发了一个Abaqus模型，用于单桩复合混凝土填充双钢管（CFDST）风力涡轮机，同样采用固定基础条件，并使用OpenFAST施加风荷载和波浪荷载来评估塔架在地震激励下的响应和损伤行为。Cheng等人（2024）开发了一个带有吸力桶基础的风力涡轮机有限元模型，其中包含了周围土壤的有限元模型以考虑SSI。风荷载和波浪荷载作为外力施加，地震激励施加在土壤域上以分析风力涡轮机的地震响应。
在使用FEM分析风力涡轮机上部结构的动态响应时，上述研究通常采用p-y模型或有限元模型来考虑土壤非线性和土-结构相互作用，强调了考虑SSI的重要性。然而，在大多数情况下，风荷载是预先计算并作为外力施加的，而涡轮机的运行条件被大大简化或忽略了。因此，这些模型在捕捉地震激励期间由叶片振动引起的动态风-结构耦合效应方面的能力有限。
多体动力学（MBD）方法在分析转子旋转和求解空气动力荷载方面具有高计算效率和灵活性。Valamanesh和Myers（2014）忽略了转子变形，建立了刚性转子模型来表示风力涡轮机的运行状态，并基于叶片元动量（BEM）理论推导出转子上的空气动力荷载。Jin等人（2014）使用拉格朗日方程开发了叶片的MBD模型，并在明确考虑叶片振动的情况下计算了转子上的空气动力荷载。Sapountzakis等人（2015）基于边界元素方法开发了梁元素，简化了转子运行期间的叶片非线性变形表示，并使用BEM方法确定了风荷载。Chen等人（2021b）进一步将叶片柔韧性对空气动力荷载的影响纳入MBD框架，从BEM理论重新推导出空气动力阻尼表达式，并分析了作用在转子上的动态荷载。Bozyigit等人（2025）基于Timoshenko梁理论建立了叶片动态模型，捕捉了叶片的弯曲和剪切变形。许多其他研究也采用了基于MBD的方法进行风力转子分析（Romero-Sánchez和Padrón，2024；Jiang等人，2021；Liang等人，2022）。总体而言，MBD方法提供了一个全面的框架，可以同时捕捉转子运行条件、空气动力荷载和振动响应，实现了高计算精度同时保持效率。然而，如何有效地将MBD方法与有限元分析（FEA）结合起来，以克服地震响应模拟中忽略涡轮机运行状态的局限性，仍然是一个开放且重要的研究挑战。
关于风力涡轮机地震响应分析的现有研究表明，FEM模型难以准确捕捉风力涡轮机的运行状态及其所经历的空气动力荷载，而MBD模型无法有效表示结构在地震激励下的非线性行为。因此，当前的数值工具无法完全满足风力涡轮机风-结构-土耦合分析的要求，这些模型的计算精度仍有待提高。为了解决这个问题，本研究提出了一种创新的耦合建模方法来分析MWT的地震响应。风力涡轮机系统被分解为两个相互关联的子系统：叶片系统使用MBD方法建模以表示空气动力特性，而支撑结构（包括单桩和土壤）使用FEM分析以研究地震条件下的结构振动、损伤行为和土-结构相互作用。两个子系统之间的相互作用通过数据交换接口实现，从而在分析过程中实现动态耦合。所提出方法的稳健性和有效性通过与振动台和风洞测试结果的比较得到了验证。这种创新方法有效解决了风-结构-土耦合问题，并为结构地震响应分析提供了新的方法。本文的其余部分组织如下：第2节介绍耦合建模框架及其整体架构。第3节描述了详细的实施程序和建模方法。第4节通过与风洞和振动台测试结果的比较来验证所提出的框架。最后，第5节总结了主要发现、局限性和结论。
章节摘录
集成分析框架描述
风力涡轮机在地震激励下的动态响应受到其运行荷载和SSI效应的影响，这些相互作用通过塔架作为介质发生。本节提出了MBD-FEM分析方法，并提出了一个全面的分析框架，说明了不同组件之间的耦合机制。
集成模型的开发
遵循MBD-FEM耦合分析方法，使用理论建模方法构建了转子的多体动力学模型，在Abaqus中开发了塔架的有限元模型，并基于边界表面p-y模型建立了SSI模型。基于Abaqus中的UAMP、URDFIL和UMAT子程序，进行了二次开发，以建立多体动力学模型和有限元模型之间的数据交换接口。
模型验证
通过将模拟的机舱位移、塔架旋转、机舱加速度和基础弯矩与运行条件下MWT的风洞和振动台测试结果进行比较，验证了集成模型在地震响应分析中的有效性（Lin等人，2025）。
结论与未来工作
本研究提出了一种基于MBD-FEM的MWT地震响应分析框架，全面考虑了空气动力学、结构动力学、土壤基础行为和地震激励的耦合效应。通过与实验结果的比较，验证了所提出方法的有效性。与有限元方法相比，所提出的框架能够准确捕捉风-结构相互作用以及由此引起的空气动力特性的变化
CRediT作者贡献声明
Kun Lin：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、项目管理、调查。Xinnan Wei：撰写 – 原稿撰写、验证、方法论、调查、形式分析、数据管理。Annan Zhou：撰写 – 审稿与编辑、监督、资源管理、方法论、调查、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
本研究得到了广东省智能与韧性土木工程结构重点实验室（2023B1212010004）的支持。
