海上風(fēng)力機(jī)遭受風(fēng)浪流的共同作用，此外葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的氣動(dòng)載荷也作用在風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)上，會(huì)引起基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷，因此綜合考慮風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受到的多種載荷，分析風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞，歷來受到重視。目前我國對于近海風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷分析，主要是針對海上固定單樁風(fēng)力機(jī)。劉勝祥等針對固定混凝土樁支撐結(jié)構(gòu)，考慮確定性波浪及風(fēng)載荷作用，采用Miner累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算疲勞壽命，但研究中僅計(jì)入風(fēng)的阻力載荷，不考慮葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的氣動(dòng)載荷。我國船級社(CCS)2013年發(fā)布了《海洋工程結(jié)構(gòu)物疲勞強(qiáng)度評估指南》，給出了波浪載荷引起的疲勞計(jì)算方法，包括頻域譜疲勞和時(shí)域疲勞計(jì)算方法。盛振國等針對固定基礎(chǔ)風(fēng)機(jī)結(jié)構(gòu)，將不同風(fēng)、浪、流載荷在時(shí)域內(nèi)疊加，計(jì)算綜合載荷引起的結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)應(yīng)力，基于Miner累積損傷準(zhǔn)則求疲勞壽命，但是氣動(dòng)載荷引起的應(yīng)力分布是否為韋伯分布仍待研究。王濱等針對三腳架基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，基于譜分析方法計(jì)算疲勞損傷，結(jié)論認(rèn)為波浪引起的結(jié)構(gòu)疲勞損傷占87%，分析中沒有計(jì)入氣動(dòng)載荷。劉暢和李良碧針對近海固定風(fēng)機(jī)單樁式支撐結(jié)構(gòu)，采用譜疲勞分析法進(jìn)行疲勞損傷分析。方通通等運(yùn)用FAST軟件計(jì)算氣動(dòng)力和波浪力，與SACS接口，計(jì)算綜合載荷作用下固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的疲勞損傷。近海風(fēng)力機(jī)固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞分析的方法比較成熟，基本方法包括譜分析方法和時(shí)域分析方法。我國對于近海浮式風(fēng)力機(jī)的研究近幾年才開始，浮式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷研究還不夠深入。

近海浮式風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞分析一般是考慮基礎(chǔ)與塔柱的連接部位，這是浮式風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)的熱點(diǎn)應(yīng)力區(qū)，是疲勞分析需要考慮的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)區(qū)域。浮式風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞分析難度遠(yuǎn)大于固定基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)風(fēng)力機(jī)，因?yàn)楦∈交A(chǔ)結(jié)構(gòu)包括系泊系統(tǒng)，整個(gè)風(fēng)力機(jī)系統(tǒng)處于大幅運(yùn)動(dòng)之中，水動(dòng)力載荷和運(yùn)動(dòng)耦合分析是結(jié)構(gòu)疲勞分析面臨的復(fù)雜問題。陶海成針對浮式風(fēng)力機(jī)半潛式基礎(chǔ)，考慮波浪散布圖計(jì)算基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力，基于全概率譜疲勞分析方法對“熱點(diǎn)”區(qū)域進(jìn)行了疲勞強(qiáng)度計(jì)算。方龍等分析了海上三浮體式風(fēng)機(jī)的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)中風(fēng)機(jī)支撐結(jié)構(gòu)的疲勞壽命，考慮波浪和風(fēng)載荷共同作用，基于Miner線性累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算結(jié)構(gòu)在各工況下的疲勞損傷，但沒有考慮葉輪轉(zhuǎn)動(dòng)引起的氣動(dòng)載荷。李浩然等針對Spar型浮式基礎(chǔ)風(fēng)力機(jī)，考慮風(fēng)、浪及氣動(dòng)力作用，根據(jù)不同海況風(fēng)浪聯(lián)合分布概率，基于Miner線性累積損傷準(zhǔn)則計(jì)算塔架底部短期疲勞損傷。Kim等引入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，提出了用于降低疲勞計(jì)算工作量的簡化方法。桑松等針對半潛式浮式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)，基于SESAM和FAST軟件，計(jì)算結(jié)構(gòu)疲勞損傷。

浮式風(fēng)力機(jī)疲勞分析，由于時(shí)域計(jì)算工作量巨大，目前的研究工作主要基于頻域譜疲勞分析方法，或者基于半頻域加半時(shí)域方法，計(jì)算過程一般僅考慮波浪和風(fēng)的拖曳力。關(guān)于葉片轉(zhuǎn)動(dòng)引起的氣動(dòng)力對于疲勞損傷的影響，如何簡化氣動(dòng)力疲勞損傷的計(jì)算，目前尚缺乏研究。這里結(jié)合淺水10 MW風(fēng)力機(jī)，計(jì)算環(huán)境載荷引起的疲勞，并提出簡化的風(fēng)力機(jī)氣動(dòng)力損傷分析方法，研究氣動(dòng)力對于浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的損傷，評估氣動(dòng)力對于浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)疲勞損傷的影響。

基本結(jié)論

基于譜疲勞計(jì)算方法計(jì)算分析半潛式大功率浮式風(fēng)力機(jī)的波浪載荷引起的損傷，提出一種簡化方法計(jì)算氣動(dòng)力引起的損傷。比較了兩種載荷引起的疲勞損傷結(jié)果，主要結(jié)論如下：

1) 半潛式三立柱風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，波浪載荷引起的浮式風(fēng)力機(jī)損傷嚴(yán)重部位主要在基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)箱型體垂直板材與水平板交接點(diǎn)，此處由于應(yīng)力集中導(dǎo)致了應(yīng)力值較大，為疲勞損傷的關(guān)鍵部位。

2) 文中半潛三立柱浮式風(fēng)力機(jī)，葉片轉(zhuǎn)速受變槳器控制，氣動(dòng)力增加受限，波浪載荷引起基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠(yuǎn)大于氣動(dòng)力引起的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)應(yīng)力。

3) 文中半潛三立柱浮式風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)損傷主要是由波浪載荷引起，氣動(dòng)力引起的浮式基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的損傷為10-3量級，而波浪載荷引起的損傷為10-1量級。

本文引用格式：馮士倫, 楊虎, 唐友剛, 等. 波浪載荷及氣動(dòng)力引起的半潛浮式風(fēng)機(jī)疲勞損傷分析[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))作者簡介：馮士倫(1975—)，男，河北辛集人，副教授，主要從事海洋結(jié)構(gòu)與土相互作用和海洋風(fēng)力機(jī)結(jié)構(gòu)疲勞等方面的研究。E-mail: shilunfeng@tju.edu.cn