【论文推荐】| 浅水条件下基于一体化耦合分析方法的超大半潜式浮式风机动力响应特性分析

论文导读与观点概要

一、研究目的

在海上风电机组加速大型化的行业趋势下，风机单机容量不断攀升（目前已出现16 MW级机型），风机推力载荷呈指数级增大，浮式基础尺寸随之增加，各自由度之间以及浮式基础—风机—系泊系统之间的耦合效应日趋复杂。传统的常规解耦分析方法（如频域响应分析、设计波法等）越来越难以准确捕捉大型浮式风机的真实运动、系泊与结构响应，容易造成整体设计冗余甚至误判。而考虑气动—水动—浮式基础—风机—系泊多物理场耦合的一体化分析方法，在提高计算精度、降低设计保守度方面展现出显著优势。半潜式浮式基础因适用水深范围广、稳性与水动力性能良好、可提供较大静水回复力，成为中国南海漂浮式风电最成熟可靠的方案。为此，本文以搭载16 MW级风机的某三立柱超大半潜式浮式风机平台为研究对象，面向中国南海海域50 m浅水环境条件下的风电开发需求，开展风—浪—流联合作用下的一体化动力响应仿真分析，旨在为浅水大兆瓦级漂浮式风机的开发应用提供技术参考。

二、研究方法

研究采用"频域先行、时域耦合"的分步技术路线：

频域水动力分析。 采用水动力软件HydroD基于三维势流理论计算浮式基础运动响应，开展网格敏感性分析确定合适面元尺寸（最终选取2.0 m面元、网格数量5 226个），并以6%临界阻尼修正系泊、黏性及阻尼板的影响，分析平台六自由度固有周期特性。

一体化耦合建模。 利用Sima软件建立"风机叶片—塔筒—浮体—系泊"全耦合仿真模型：叶片与塔筒采用弹性梁单元、浮式基础视为六自由度刚体质点、系泊链为仅承拉弹性单元、阻尼板采用等效刚性莫里森杆件，并以Slender Element杆单元模拟黏性载荷。风载荷中叶片部分采用叶素动量理论（BEM），塔筒及上部结构按CCS规范计算；波浪载荷基于势流理论求解一阶、二阶激励力；黏性载荷按莫里森方程引入；系泊载荷通过浮体与系泊动力学方程在导缆孔处全耦合求解。波浪采用JONSWAP谱（γ=3.3），风载荷经Turbsim生成湍流风。在此基础上开展带系泊的静水自由衰减分析，量化系泊系统对固有周期的影响。

时域耦合动力响应分析。 针对作业状态（1年一遇海况，额定风速13 m/s与切出风速25 m/s）和自存停机状态（50年一遇极端海况，轮毂风速50.3 m/s、有效波高11.8 m、谱峰周期15.5 s），按载荷方向0°/90°/180°设置多工况，分析平台运动响应及系泊张力特性。

三、研究结果

频域分析表明，浮式基础在垂荡、横摇、纵摇方向的固有周期分别为20.9 s、27.3 s和27.8 s，均远离实际海况中波浪周期集中分布的区域；考虑系泊系统后，平台水平方向（纵荡、横荡、艏摇）固有周期均大于80 s，垂荡、横摇、纵摇周期则较频域结果减小1.4～1.9 s。作业状态下，平台最大水平偏移量为15.14 m、纵摇与横摇倾角最大值为3.78°，运动响应相对较小，能够满足风机要求。自存状态下，载荷0°作用时倾角最大（达8.37°）、系泊张力峰值为8.73×10⁶ N，180°作用时偏移量最大（25.59 m）；整体偏移不超过30 m、倾角不超过10°，系泊张力安全系数符合规范要求。谱分析显示系泊张力能量集中于15～20 s频段，即自存波浪谱峰周期附近。

四、主要结论

研究以应用于中国南海海域50 m水深下的某16 MW级三立柱半潜式浮式风机为研究对象，开展风-浪-流共同作用下的一体化时域仿真分析，主要得到以下结论： 

1）采用常规频域分析方法得到的浮式基础在垂荡、横摇和纵摇方向上的固有周期分别为20.9、27.3和27.8 s，能够有效避开波浪周期集中分布的区域；当采用一体化仿真模型并考虑系泊系统的影响时，固有周期会有1~2 s的减小，因此在实际工程中应进行考虑。 

2）作业状态下，浮式基础的纵荡、横荡、垂荡及艏摇再额定风速下与切出风速下的运动响应比较接近，而横摇和纵摇在额定风速下的运动响应相对大于切出风速下的运动响应。作业状态下浮式基础的最大水平偏移量为15.14 m，纵摇和横摇倾角最大值为3.78°，整个平台在作业工况下的运动响应相对较小。 

3）自存状态下，载荷0°作用下浮式基础的倾角最大，为8.37°，系泊张力最大值为8.73×10⁶ N；载荷180°作用时，浮式基础的偏移量最大，为25.59 m。整个平台在自存工况下的运动响应相对较小，系泊张力满足规范要求。 

相关图表

本文引用格式：孙嘉阳, 王益厚, 程紫媛, 等. 浅水条件下基于一体化耦合分析方法的超大半潜式浮式风机动力响应特性分析[J]. 海洋工程, 2026, 44(5): 141-153.  (SUN Jiayang, WANG Yihou, CHENG Ziyuan, et al. Dynamic response analysis of ultra-large semi-submersible floating wind turbines in shallow water using an integrated coupled method[J]. The Ocean Engineering, 2026, 44(5): 141-153.  (in Chinese)）

作者简介：   

孙嘉阳（1998—），男，黑龙江人，硕士，主要从事海洋结构物平台仿真分析及系泊系统设计优化等方面的研究。E-mail：Jysun0113@163.com

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