【论文推荐】| 基于时域方法的漂浮式光伏平台连接方式对比与优化

论文导读与观点概要

一、研究目的

随着内陆湖泊水库漂浮式光伏（FPV）平台的快速发展，海上FPV平台作为应用场景的延伸正受到业界的广泛关注。目前典型的FPV平台主要包括浮筒式、柔性及半潜式三种结构形式。尽管现有研究已在结构设计、连接方式及水动力响应等方面取得了阶段性成果，但针对连接方式对平台结构响应影响的系统性研究仍显不足。鉴于此，本研究旨在解决海上漂浮式光伏平台在复杂波浪环境下的结构响应及连接方式影响问题。研究基于时域数值方法，对平台在规则波中的水动力载荷进行模拟分析，并以梁单元模型精准捕捉杆件及连接单元的力学响应。通过对缆绳+防撞橡胶、支撑弹簧、刚性连接三种典型连接方式进行系统比较，并深入探究各连接方式的参数影响，旨在为海上FPV平台连接方式的优化设计与工程实际应用提供科学的理论参考与指导。

二、研究方法

本研究构建了由3个正六边形桁架型浮体单元互连而成的平台模型，单个单元单边长12 m、型深6 m、设计吃水2.0 m，主体采用直径299 mm和402 mm的钢制杆件及球节点连接。研究设定的环境条件为水深25 m，波高14 m，波浪周期12.4 s，并涵盖0°、30°、60°三个波浪方向。系泊系统采用3根分散系泊缆绳，呈120°夹角布置，系泊半径126 m。在数值模拟方面，采用莫里森公式计算波浪载荷，结合包含质量、浮力及水动力系数的梁单元模型进行动态分析，求解载荷及应力的时历响应。研究重点对比了三种连接方式：一是缆绳+防撞橡胶连接，利用绑绳与橡胶缓冲传递拉力；二是支撑弹簧连接，通过弹簧杆件组传递拉压载荷；三是刚性连接，球节点可传递拉压力、弯矩及扭矩。此外，研究还针对性地提出了三种优化方案：在方式1中增加斜拉索和中间球节点垂向拉索（方式1-A）；在方式2中将弹簧刚度减半（方式2-A）；在方式3的顶部杆件中间增加刚性连接单元（方式3-A），以全面评估结构优化效果。

三、研究结果

时域分析结果表明，不同连接方式对平台力学响应影响显著。在分离载荷方面，所有方式的底部分离力均显著大于顶部，其中方式1分离力最高达1363 kN。在杆件端部受力上，横向杆件最大拉力呈现“方式1>方式2>方式3”的规律，表明较强约束可有效降低横向杆件拉力；而方式1和方式2的端部剪力远大于方式3，证实刚性约束可大幅降低剪切力。在应力分布方面，方式3端部应力最小（9153 MPa），方式1因橡胶挤压产生较大弯矩及分离力，导致其端部应力普遍偏高，且所有方式的最大杆件端部应力均集中于外侧立柱顶端。针对优化方案的评估显示：方式1-A通过增加斜拉索，使最大应力由815 MPa降至383 MPa，大部分位置米塞斯应力降低45%~61%，但顶部中间垂向拉索基本未起约束作用；方式2-A将弹簧刚度减半后，最大应力由479 MPa降至326 MPa，高应力区降低18%~42%，最大弯矩及米塞斯应力均降至原来的68%；方式3-A在顶部增加刚性连接单元后，各杆件端部应力几乎无变化，新增单元所受轴向力极小。

四、研究结论

综合对比与优化分析得出以下核心结论：

1）绑绳+防撞橡胶的连接方式具有受力模式简单的优点，但是容易在局部连接面的杆件端部产生橡胶互相挤压碰撞，从而在端部产生较大的弯矩和米塞斯应力。通过加斜拉索的方式可以使大部分杆件端部米塞斯应力降低一半以上。另外，在顶部中间位置的垂向连接索基本不能起到约束作用。

2）与绑绳+防撞橡胶的连接方式相比，支撑弹簧组的连接方式可以使得杆件端部应力明显降低；且当支撑弹簧单元的刚度降低一半以后，大部分杆件端部的米塞斯应力降低18%~42%。

3）采用刚性连接的方式可以大幅度降低杆件的端部应力，但是除了轴向受力之外，连接单元弯矩及剪力会给连接件的屈服及疲劳强度带来一定挑战。另外，在顶部中间位置的连接单元基本不能起到约束作用，且对杆件的端部米塞斯应力没有改善作用。

4）所有连接方式的最大杆件端部应力均发生在外侧立柱的顶端位置，在设计中可以考虑重点加强。

文中所提出的思路与研究方法为 FPV 连接方式的选择提供了初步参考与数据支撑。由于篇幅与条件所限，部分参数的选取及其影响机制尚未进行更为详尽的探讨。未来可在水池试验、橡胶非线性刚度、非线性波浪下的动力响应以及连接件疲劳等方面深入开展研究，以期更加全面、深入地揭示相关规律，并更好地应对实际工程中的不确定性和复杂性。研究能为后续学者和工程实践提供思路与借鉴，也期待更多学者共同探讨与完善，从而持续推动本领域的进步与发展。

相关图表

本文引用格式：郑灿, 范永春, 范少涛, 等. 基于时域方法的漂浮式光伏平台连接方式对比与优化[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 17-33.  (ZHENG Can, FAN Yongchun, FAN Shaotao, et al. Comparison and optimisation of floating photovoltaic platform connection methods based on a time-domain approach[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 17-33.  (in Chinese)）

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