【论文推荐】| 浮式风电系泊张力响应分析与应用研究

论文导读与观点概要

一、研究目的

随着全球能源结构的转型与深远海风电开发的加速，浮式风电基础凭借其优越的深水适应性与经济性，正逐步取代传统固定式基础，成为未来海上风电发展的核心方向。然而，浮式平台通过系泊系统与海床锚固基础相连，长期承受风、浪、流等复杂且多变的海洋环境荷载。锚固基础作为整个系统的最终承载体，其承受的系泊张力响应具有高度的非线性与不确定性，极易发生疲劳损伤或突发失效，已成为制约浮式风电系统整体可靠性的关键薄弱环节。

针对这一工程痛点，本研究聚焦于半潜式、立柱式与张力腿式三种典型浮式风电平台，旨在系统揭示风速、有效波高、谱峰周期及流速等关键环境荷载参数对锚固基础处系泊张力时程最大值的影响规律。在此基础上，研究致力于突破传统数值模拟耗时过长的瓶颈，基于Kriging方法构建系泊张力关于环境荷载参数的隐式预测代理模型，并以张力腿式平台为例，深入探讨该模型在锚固基础可靠性设计中的工程应用价值，为深远海浮式风电的安全评估与优化设计提供坚实的理论支撑。

二、研究方法

本研究采用理论分析与数值模拟相结合的综合性研究手段。首先，依托开源多体动力学仿真工具OpenFAST，结合NREL 5 MW风电机组模型，分别构建了水深200m的OC4 Wind半潜式平台、水深320m的Hywind立柱式平台以及水深200m的NREL张力腿式平台的精细化数值模型，并通过与既有文献对比验证了模型的准确性。在环境荷载建模方面，采用Kaimal谱生成湍流风、JONSWAP谱生成不规则波浪，并结合指数型流速模型模拟海流，设定风浪流共向作用以模拟最不利工况。

在参数敏感性分析阶段，研究对比了定常风与湍流风、规则波与不规则波以及不同时长的模拟结果，最终确立了“3小时湍流风+不规则波浪+海流”的统一加载标准。随后，针对三种平台在多个谱峰周期及不同流速工况下开展了大规模时域模拟。为提升计算效率，研究基于1881组环境参数样本，以风速、有效波高和流速为自变量，系泊张力最大值为因变量，构建了Kriging代理模型。模型采用二次型多项式基函数与高斯型相关函数，按70%训练集与30%验证集进行划分，并通过Sobol敏感度分析量化了各参数的影响权重。最后，以张力腿式平台为例，将代理模型嵌入蒙特卡洛仿真框架，考虑环境荷载与海床土强度的双重不确定性，对吸力锚基础直径进行了可靠性优化设计。

三、研究结果

数值模拟与代理模型分析揭示了多项关键规律。首先，风的湍流特性、波浪的不规则性及模拟时长对系泊张力影响显著，不规则波较规则波使张力提升15%~_{49%，3小时时程较1小时在波浪荷载下提升达31%}~38%。其次，波浪谱峰周期对三种平台的张力均有显著影响，如半潜式在Tp=5s时因波长接近立柱间距出现峰值，张力腿式则因纵摇自振周期在Tp=5s时发生共振。在流速影响方面，单独流作用下，流速从0增至1.5 m/s时，半潜式和立柱式平台的张力最大值分别激增61%和75%，而张力腿式仅增加4%；在风浪流联合作用下，流速变化对前两者的张力仍具有显著放大效应。

敏感度分析表明，三种平台的主导因素差异明显：半潜式主要受有效波高控制（一阶敏感度指数S1=0.70），流速次之；立柱式以流速为主导（S1=0.55），波高与风速作用较弱；张力腿式的张力几乎完全由波高主导（S1=0.91）。此外，系泊张力随波高增加呈单调增大趋势，而随风速变化则因风机桨距角调节机制呈现非单调特征。所构建的Kriging代理模型表现优异，预测误差基本控制在±5%以内，相关系数R²均大于0.98，残差分布均匀无偏态。基于该模型的可靠性设计成功将张力腿式平台吸力锚基础的最优设计直径确定为4.2m，满足了失效概率Pf≤10^-4的设计要求。

四、研究结论

分析了风速、有效波高、谱峰周期及流速对半潜式、立柱式和张力腿式浮式风电锚固基础处系泊张力时程最大值的影响，构建了系泊张力时程最大值关于环境荷载参数的预测模型，并以张力腿式平台为例开展了锚固基础的可靠性设计。主要结论如下：

1）风的湍流特性、波浪的不规则特性以及模拟时长会显著影响浮式风电的系泊张力，建议至少选用3 h的湍流风、不规则浪加载。3种浮式平台的系泊张力均受波浪谱峰周期显著影响；在单独流作用下，半潜式和立柱式浮式平台的系泊张力对流速都较为敏感，流速由0增至1.5 m/s时，其系泊张力时程最大值增长幅度分别达61%和75%，显著高于张力腿式浮式平台；在风、浪、流综合作用下，流速变化仍然对半潜式和立柱式浮式平台系泊张力具有显著影响。 

2）3种浮式平台的系泊张力随着波高增加呈单调增大趋势，而随风速变化则因桨距角调节机制表现出非单调性变化特征。从环境参数敏感性分析结果来看：半潜式浮式平台的系泊张力主要受波高控制，流速次之，风速影响较小；立柱式浮式平台则以流速为主导因子，波高与风速的作用相对较弱；张力腿式平台的系泊张力几乎完全由波高主导。在相同环境荷载工况下，半潜式与张力腿式浮式平台的系泊张力显著大于立柱式浮式平台。 

3）建立的Kriging代理模型针对不同平台选择相应环境荷载参数：张力腿式平台主要考虑风速和波高，半潜式与立柱式平台还需考虑流速。模型预测误差基本控制在±5%以内，且未出现明显偏态、大幅离群点或异方差性等异常特征，模型具备较高准确性与适用性，可有效用于浮式风电锚固基础可靠性评价与设计。

4）尽管文中研究对象为5 MW风机及其配套浮式平台与系泊系统，但采用的方法具有良好通用性，所得张力响应规律及主要影响因素的定性结论对更大功率浮式海上风电系统同样具有重要参考意义与价值。 

相关图表

本文引用格式：刘君, 刘飞虹, 郭新帅, 等. 浮式风电系泊张力响应分析与应用研究[J]. 海洋工程, 2026, 44(5): 89-103.  (LIU Jun, LIU Feihong, GUO Xinshuai, et al. Analysis and application of mooring tension response in floating offshore wind turbines[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(5): 89-103.  (in Chinese)）

作者简介：   

刘君，博士、大连理工大学教授、博士生导师。主要从事海洋岩土工程、水工结构工程以及防灾减灾与防护工程方面的教学和科研工作。完成国家“973”课题、重大科技专项、自然科学基金重大项目、重点项目和面上项目等科研课题30多项。出版学术专著和本科教材各1本，发表学术论文130余篇，获授权专利20余项。研究成果获国家科技进步二等奖1项、省部级一等奖4项，以及英国土木工程师协会David Hislop奖。指导的研究生曾获大连理工大学“博士生学术之星”，以及全国水利工程专业学位优秀研究生，指导的研究生曾11次荣获校级优秀学位论文。目前主持国家级本科一流课程和辽宁省一流课程建设。

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