【论文推荐】| 多段式系泊系统动力响应及疲劳分析

论文导读与观点概要

一、研究目的

随着全球对可再生能源需求的日益增长，海上风电尤其是深水浮式风力机平台迎来了爆发式发展。系泊系统作为连接浮式平台与海底的关键结构，其设计优劣直接决定了平台的整体性能与生存能力。传统的单一悬链式系泊配置在应对复杂多变的海况时往往显得力不从心。近年来，通过引入重块（配重）和浮块（浮筒）来改变垂向刚度与浮力协同作用的多段式系泊设计，逐渐成为行业关注的焦点。

该研究旨在将多段式系泊概念与经典的OC4半潜式浮式风机平台相结合，系统探究不同重块与浮块配置对平台运动响应和系泊疲劳损伤的影响规律，从而为深水浮式风机平台的系泊系统优化设计提供坚实的理论依据与科学参考。

二、研究方法

本研究以搭载NREL 5MW水平轴风力机的OC4半潜式平台为对象，其原始系泊系统由3根长835.35 m的悬链式锚链按120°夹角布置。研究团队基于三维势流理论，利用AQWA软件建立了精确的水动力模型，并通过与文献结果对比验证了模型的准确性。针对南海典型海况，研究设置了9种短期海况（采用JONSWAP谱，风速覆盖7.6~20.0 m/s），并采用FAST-to-AQWA（F2A）耦合计算方法，全面模拟了平台在不同系泊配置下的动力响应。

在系泊方案设计上，研究创新性地构建了三类共计16种多段式系泊配置： 1. 重块系泊（ZK1~ZK7）：涵盖单重块、双重块及三重块方案，总质量均为69 t，布置于200 m至600 m不同水深位置。 2. 浮块系泊（FK1~FK5）：涵盖单浮块、双浮块及三浮块方案，总质量均为10.5 t。 3. 混合式系泊（CD1~CD4）：固定69 t重块于400 m处，配合不同位置的浮块（200 m至600 m）。

此外，研究严格遵循API-RP-2SK规范，结合线性损伤累积理论、雨流计数法及T-N曲线（M=3.0，K=1 000），对不同工况下的系泊系统进行了精细化的疲劳损伤量化评估。

三、主要结果

通过对16种系泊方案的横向对比，研究揭示了多段式系泊在动力响应与疲劳特性上的显著规律：

1.重块系泊的“稳而动”特征：重块能有效抑制平台的纵荡运动，其中ZK3方案（单重块69 t置于400 m处）运动抑制效果最优。然而，重块增加了系泊张力并增强了波频共振响应，导致疲劳损伤值显著增大；且重块数量越多、配置越均质，疲劳值越高。

2.浮块系泊的“柔而韧”优势：浮块虽增大了平台纵荡振幅，但通过改变悬链线形态，显著降低了系泊张力及其变化振幅，有效减小了波频和高频共振响应。其中，FK3方案（单浮块10.5 t置于400 m处）张力分布最均匀，疲劳损伤累积速率最低。

3.混合式系泊的“平衡之道”：混合式系泊的运动响应介于纯重块与纯浮块之间。其性能高度依赖浮块位置，CD4方案（浮块置于600 m处）实现了各段受力分布的高度一致，在张力控制与均匀性方面表现最优。整体而言，混合式系泊的疲劳值介于重块与浮块系泊之间。

四、结论

为改善浮式风机平台系泊系统的疲劳损伤，建立不同重块和浮块的多段式系泊系统，通过F2A软件计算OC4风机平台多段式系泊系统，得到浮式风机系泊张力变化曲线，并利用雨流计数法进行分析，基于T-N曲线和线性疲劳累积损伤理论进行系泊疲劳分析，主要结论如下：

1）配置重块可有效抑制平台运动，但会增加系泊张力，增加系泊的波频共振响应和系泊疲劳值，且重块数量越多，系泊疲劳值越大，需优化重块数量与布置以控制局部疲劳损伤，适用于对平台运动控制要求高的场景。

2）对于设置浮块，在系泊中加入浮块会增大风机平台各个自由度的运动响应，但能有效降低系泊张力变化及其振幅，减小系泊张力波频和高频共振响应，降低疲劳损伤累积速率，适用于需降低系泊整体疲劳损伤的场景。

3）对于混合式系泊系统，需通过精细化设计（如重块与浮块的组合布置），平衡平台运动控制与系泊疲劳损伤，实现最优权衡，适用于对运动和疲劳均有较高要求的复杂海域。

浮式风机系泊系统使用配重块和浮块不仅可以优化风机平台整体运动响应，而且还具有降低系泊疲劳损伤的功能。系泊系统对浮式风机响应的影响规律也可为实际工程中系泊的选择提供参考，为浮式风机系泊系统设计提供参考与借鉴。

相关图表

本文引用格式：赵烽宇, 丁伟业, 孙宏月, 等. 多段式系泊系统动力响应及疲劳分析[J]. 海洋工程, 2026, 44(4): 70-85.  (ZHAO Fengyu, DING Weiye, SUN Hongyue, et al. The dynamic response and fatigue analysis of multi-stage mooring system[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(4): 70-85.  (in Chinese)）

通信作者简介：孙宏月   

孙宏月，博士，浙江海洋大学海洋工程装备学院副教授，硕士生导师。2010年本科毕业于吉林大学数学与应用数学专业，2013年获大连海洋大学环境科学硕士学位，2020年获大连理工大学港口、海岸及近海工程博士学位，同年入职浙江海洋大学。研究方向为波浪对结构物冲击的可压缩两相流数值模拟与实验研究，涉及水气掺混砰击、波浪卷气砰击和单相流波浪砰击等形式，及海上光伏平台、带光伏发电的防波堤等海洋可再生能源结构物的相关研究。主持国家自然科学基金面上项目（2022-2025）、舟山市科技计划项目（2022-2024）及校人才引进科研基金（2021-2023）。在《Ocean Engineering》《Journal of Marine Science and Engineering》等期刊发表多篇学术论文，《水道港口》期刊青年编委。

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