波浪载荷及气动力引起的半潜浮式风机疲劳损伤分析

海上风力机遭受风浪流的共同作用，此外叶轮转动引起的气动载荷也作用在风机基础结构上，会引起基础结构疲劳损伤，因此综合考虑风力机基础结构受到的多种载荷，分析风力机基础结构的疲劳，历来受到重视。目前我国对于近海风力机基础结构的疲劳损伤分析，主要是针对海上固定单桩风力机。刘胜祥等针对固定混凝土桩支撑结构，考虑确定性波浪及风载荷作用，采用Miner累积损伤准则计算疲劳寿命，但研究中仅计入风的阻力载荷，不考虑叶轮转动引起的气动载荷。我国船级社(CCS)2013年发布了《海洋工程结构物疲劳强度评估指南》，给出了波浪载荷引起的疲劳计算方法，包括频域谱疲劳和时域疲劳计算方法。盛振国等针对固定基础风机结构，将不同风、浪、流载荷在时域内叠加，计算综合载荷引起的结构热点应力，基于Miner累积损伤准则求疲劳寿命，但是气动载荷引起的应力分布是否为韦伯分布仍待研究。王滨等针对三脚架基础结构，基于谱分析方法计算疲劳损伤，结论认为波浪引起的结构疲劳损伤占87%，分析中没有计入气动载荷。刘畅和李良碧针对近海固定风机单桩式支撑结构，采用谱疲劳分析法进行疲劳损伤分析。方通通等运用FAST软件计算气动力和波浪力，与SACS接口，计算综合载荷作用下固定基础结构的疲劳损伤。近海风力机固定基础结构疲劳分析的方法比较成熟，基本方法包括谱分析方法和时域分析方法。我国对于近海浮式风力机的研究近几年才开始，浮式风力机基础结构疲劳损伤研究还不够深入。

近海浮式风力机结构疲劳分析一般是考虑基础与塔柱的连接部位，这是浮式风力机结构的热点应力区，是疲劳分析需要考虑的关键结构区域。浮式风力机结构疲劳分析难度远大于固定基础结构风力机，因为浮式基础结构包括系泊系统，整个风力机系统处于大幅运动之中，水动力载荷和运动耦合分析是结构疲劳分析面临的复杂问题。陶海成针对浮式风力机半潜式基础，考虑波浪散布图计算基础结构的应力，基于全概率谱疲劳分析方法对“热点”区域进行了疲劳强度计算。方龙等分析了海上三浮体式风机的基础结构中风机支撑结构的疲劳寿命，考虑波浪和风载荷共同作用，基于Miner线性累积损伤准则计算结构在各工况下的疲劳损伤，但没有考虑叶轮转动引起的气动载荷。李浩然等针对Spar型浮式基础风力机，考虑风、浪及气动力作用，根据不同海况风浪联合分布概率，基于Miner线性累积损伤准则计算塔架底部短期疲劳损伤。Kim等引入神经网络方法，提出了用于降低疲劳计算工作量的简化方法。桑松等针对半潜式浮式风力机基础，基于SESAM和FAST软件，计算结构疲劳损伤。

浮式风力机疲劳分析，由于时域计算工作量巨大，目前的研究工作主要基于频域谱疲劳分析方法，或者基于半频域加半时域方法，计算过程一般仅考虑波浪和风的拖曳力。关于叶片转动引起的气动力对于疲劳损伤的影响，如何简化气动力疲劳损伤的计算，目前尚缺乏研究。这里结合浅水10 MW风力机，计算环境载荷引起的疲劳，并提出简化的风力机气动力损伤分析方法，研究气动力对于浮式基础结构的损伤，评估气动力对于浮式基础结构疲劳损伤的影响。

基本结论

基于谱疲劳计算方法计算分析半潜式大功率浮式风力机的波浪载荷引起的损伤，提出一种简化方法计算气动力引起的损伤。比较了两种载荷引起的疲劳损伤结果，主要结论如下：

1) 半潜式三立柱风力机基础结构，波浪载荷引起的浮式风力机损伤严重部位主要在基础结构箱型体垂直板材与水平板交接点，此处由于应力集中导致了应力值较大，为疲劳损伤的关键部位。

2) 文中半潜三立柱浮式风力机，叶片转速受变桨器控制，气动力增加受限，波浪载荷引起基础结构应力远大于气动力引起的基础结构应力。

3) 文中半潜三立柱浮式风力机基础结构损伤主要是由波浪载荷引起，气动力引起的浮式基础结构的损伤为10-3量级，而波浪载荷引起的损伤为10-1量级。

本文引用格式：冯士伦, 杨虎, 唐友刚, 等. 波浪载荷及气动力引起的半潜浮式风机疲劳损伤分析[J]. 海洋工程, 2022, 40(5): 19-27. (FENG Shilun, YANG Hu, TANG Yougang, et al. Fatigue damage of semi-submersible floating wind turbine caused by wave load and aerodynamic forces[J]. The Ocean Engineering, 2022, 40(5): 19-27. (in Chinese))作者简介：冯士伦(1975—)，男，河北辛集人，副教授，主要从事海洋结构与土相互作用和海洋风力机结构疲劳等方面的研究。E-mail: shilunfeng@tju.edu.cn