采用完全耦合方法的15兆瓦海上浮动风力涡轮机基础结构的屈曲稳定性评估

《Ocean Engineering》：Buckling stability assessment of a 15 MW offshore floating wind turbine substructure with a fully coupled approach

　　李春宝|李晓梅|史伟|张建华|Choung Joonmo
高性能船舶技术重点实验室（武汉理工大学），教育部，武汉，430063，中国

**摘要**
大型浮动式海上风力涡轮机（FOWTs）在极端载荷条件下容易在屈服应力下发生局部屈曲失效。本研究调查了在IEC定义的极端载荷作用下，15 MW FOWT子结构的面板屈曲现象，并引入了一种经过验证的节点载荷程序，以高效计算潜在屈曲位置的应力历史。研究的核心创新之处在于系统地识别最脆弱区域，这些区域在各个环境方向上的屈曲利用系数最高；研究环境方向对潜在屈曲区域分布的影响；并评估这些高风险位置的屈曲稳定性，以量化潜在的倒塌风险。结果表明，风载荷而非波浪载荷是导致面板屈曲失效的主要因素。此外，侧壁柱的屈曲敏感性明显高于中心柱。本研究为在侧壁柱中添加辅助加固件以降低屈曲风险提供了基于数据的基础，为超大型FOWTs的结构优化提供了可行的指导。

**引言**
鉴于全球向碳中和转型的趋势，海上风能已成为可持续发展倡议的关键组成部分。浮动式海上风力涡轮机（FOWTs）的迅速部署提高了能量捕获效率，但也带来了新的挑战，尤其是在结构稳定性方面。增加的载荷和更大的组件尺寸提高了结构屈曲和灾难性失效的风险，危及安全与运行完整性（Wei等人，2026年）。尽管这些问题的重要性不言而喻，但现有评估FOWT结构屈曲性能的标准和指南仍然明显不足。相比之下，海洋和造船行业已经制定了全面且成熟的结构屈曲评估规范，为相关研究提供了宝贵的见解。

对于海洋船舶，国际船级社协会（IACS）的通用结构规则（IACS，2023年）根据板的细长比和加固件的弯曲-扭转失效模式定义了屈曲标准。DNV（2018年）为单轴压缩的加固面板引入了半经验公式，并考虑了焊接变形和残余应力等因素的安全系数。美国船级社（ABS，2022年）进一步扩展了这些原则，增加了对双轴压缩和剪切应力的明确检查。该方法使用了Johnson-Ostenfeld塑性修正，这对高强度钢材尤为重要。浮动平台结构的屈曲评估基于传统的船体设计规范，但必须根据海上工程的独特挑战进行调整。针对浮动平台的修改后的规范考虑了动态环境载荷和结构复杂性。例如，美国石油学会（API，2014年）提出了针对管状构件的特定屈曲标准，定义了与轴向压缩和弯矩相关的临界直径-厚度比及相互作用方程。ISO 19902（2020年）要求进行系统级的冗余检查，需要包括初始缺陷的非线性有限元分析，以捕捉极端条件（如千年一遇的风暴）下的全局屈曲模式。此外，多个国际监管机构（ABS，2020年；IEC-61400，2019年；DNV，2021年）规定，结构屈曲评估应基于时域结构响应，以确保FOWT设计的安全性。

DNV（2024年）强调了一种基于节点载荷程序的系统化方法。首先计算单位载荷下的应力，然后将该应力乘以相应的载荷时间历史，以获得完整的应力时间历史。该方法同时考虑了瞬时载荷效应和时变材料行为。在评估多个载荷时，标准建议对每个载荷分别进行应力计算，随后将这些结果综合起来，以准确反映实际中的同时载荷情况。类似的方法已在先前的研究中提出。例如，Li等人（2025年）对根据国际电工委员会（IEC）规定的极端载荷下的15 MW FOWT子结构进行了动态响应分析，重点关注关键位置的屈服强度评估。他们的发现表明，风载荷对平均应力值有显著影响，而波浪载荷主要影响应力波动。Lee等人（2023年）在时域结构分析中验证了所提出的节点载荷程序，强调了其在提高计算效率的同时提供准确结果的能力。该方法还被用于浮动式海上风力涡轮机的结构强度评估（Kyoung等人，2019年）和疲劳评估（Kyoung等人，2020年）。

尽管有FAST、Orcaflex和AQWA等商业工具可用，但在成本和进行时域结构响应分析所需的计算资源方面仍存在挑战。在详细的结构分析阶段，商业工具似乎不适用于分析所需的大量设计载荷案例，尤其是考虑到模拟的延长持续时间。Yan等人（2021年）使用OpenFAST和AQWA研究了在各种环境载荷作用下的10 MW单桩式海上风力涡轮机（OWT）的动态响应和屈曲行为。然而，OWT的结构特性与多柱式FOWTs有很大不同。类似地，OWT的屈曲评估通常只关注特定方面，缺乏直接的比较讨论。此外，与典型的10 MW FOWTs相比，15 MW UMaine VolturnUS-S子结构的板跨度和静水压力显著更大，导致屈曲敏感性非线性增加，需要更严格的完全耦合评估。在相关研究中，Hegseth等人（2020年）根据欧洲规范3（Eurocode 3，2007年）的指导评估了塔身的屈曲特性。他们假设塔身的每个部分都进行了加固，以最小化屈曲长度。为了实现平台与塔身的无缝过渡，他们战略性地设计了塔基，使其与平台的直径对齐，并使用Kreisselmeier–Steinhauser函数考虑了疲劳和屈曲约束。同时，Gentils等人（2017年）提出了一种使用ANSYS的结构优化模型，旨在在满足屈曲约束的同时最小化固定海上风力涡轮机支撑结构的质量。Nie等人（2025年）开发了一个完全耦合的框架，将OpenFAST和ANSYS集成用于FOWT平台的结构分析。他们的屈曲分析表明，所提出的结构设计保持了足够的屈曲系数，从而确保了平台的完整性。然而，他们提到了在每个计算时间步骤中流体动力学模型与有限元模型之间的瞬时压力映射相关的挑战（Yang等人，2026年）。所提出的节点载荷程序不是通过每个时间步骤的瞬时载荷映射进行有限元分析，而是使用预处理阶段建立的一整套预定载荷模式来计算浮动结构的结构响应。因此，所提出的节点载荷程序已被验证可以以较低的计算成本预测合理的结果（Li等人，2025年；Lee等人，2023年；Kyoung等人，2019年，2020年）。尽管所提出的节点载荷程序在结构响应预测和计算效率方面已被证明是有效的，但它通常缺乏对不同环境方向和主导风载荷下FOWT子结构屈曲评估的全面比较。

本研究调查了在各种环境方向作用下，15 MW浮动式海上风力涡轮机（FOWT）子结构的结构屈曲响应特性。具体来说，它考虑了风、波和电流分量同方向的情景，以识别潜在的屈曲位置。通过分析这些组合环境作用对结构屈曲稳定性的影响，研究旨在识别易发生屈曲的位置。基于作者之前的研究（Li等人，2025年），通过线性合成每个环境载荷引起的节点载荷响应来生成时域结构应力。基于CSR-H规则（IACS，2023年）引入的屈曲利用系数进行了基于规则的屈曲检查。本文的组织结构如下：第2节概述了浮动式海上风力涡轮机（FOWTs）的时域结构评估方法，并详细介绍了海上浮动结构的屈曲评估框架。第3节介绍了15 MW FOWT系统配置，并验证了所提出的节点载荷程序。第4节研究了在不同环境条件下的潜在屈曲位置。第5节总结了主要发现和工程意义。本文的创新之处在于提出了一种系统的屈曲稳定性评估方法，通过多规范交叉验证和比较分析验证了关键方法，并阐明了在极端环境载荷下的屈曲行为。虽然主要的方法论贡献是为15 MW UMaine VolturnUS-S半潜式浮动海上风力涡轮机子结构建立了完全耦合的屈曲稳定性评估框架，但这填补了大型浮动式海上风力涡轮机结构安全性的一个重要研究空白。

**研究内容**
1. **FOWTs的结构屈曲评估框架**
- 采用基于节点载荷程序的直接强度分析方法来评估FOWT子结构的屈曲失效风险。这种方法广泛采用了线性载荷-响应关系原理（Li等人，2025年；Lee等人，2023年；Kyoung等人，2019年，2020年；Park和Choung，2023年；Kim等人，2025年）。为了使分析有效，分类规则（DNV，2013年；DNV，2016年）规定了必要的条件。

2. **UMaine VolturnUS-S平台的建模及其仿真验证**
本研究提出了支持IEA 15 MW参考涡轮机的UMaine VolturnUS-S半潜式浮动平台的数值建模，用于屈曲稳定性评估。该模型在开源工具OpenFAST中进行了参数化定义，包括离散的湿表面面板模型用于流体动力学分析，以及UMaine VolturnUS-S半潜式平台的有限元（FE）模型。模拟了环境载荷。

3. **UMaine VolturnUS-S平台的屈曲强度评估**
采用上一节中验证的节点载荷程序来评估关键区域的屈曲强度。尽管基于IEC DLC 1.1（正常湍流条件模型）的分析可能无法完全捕捉结构可能面临的最大屈曲风险（与DLC 6.1（代表50年极端海况下的涡轮机停机）相比），但本研究的主要目的是调查...

**结论**
本研究旨在评估UMaine VolturnUS-S半潜式浮动平台的屈曲稳定性，特别关注其中心柱和外柱下方的关键屈曲区域。为了识别潜在的屈曲关键面板，对选定的十个屈曲面板（P1–P10）在环境条件（0°～360°，间隔30°）下进行了详细的屈曲利用系数（η）分析。为此，进行了直接强度分析...

**作者贡献声明**
Chun Bao Li：撰写——审核与编辑、撰写——初稿、可视化、验证、软件、方法论、调查、概念化。
Xiaomei Li：撰写——审核与编辑、撰写——初稿、调查、数据整理。
Wei Shi：撰写——审核与编辑、项目管理、方法论、调查、资金获取、数据整理。
Jianhua Zhang：撰写——审核与编辑、可视化、验证、资源、调查、概念化。

**利益冲突声明**
作者声明他们没有已知的可能影响本文工作的财务利益或个人关系。

**致谢**
作者衷心感谢韩国能源技术评估与规划机构以及韩国贸易、工业和能源部（MOTIE）（编号RS-2025-25450859）和中国国家自然科学基金（项目编号52371268）的财政支持。