論文作者：蔡新，張洪建，王浩，謝姣潔，汪亞洲

所屬單位：河海大學力學與材料學院，大連理工大學建設工程學部，江蘇省風電機組結構工程研究中心，南京皖工高新技術研究院，沿海開發與保護協同創新中心

發表期刊：中國電機工程學報

目前海上風機浮式平臺相關研究主要均針對某一特定指標進行個性化方案設計，尚未建立較為完善的海上風力機浮式平臺設計體系，并對海上風力機浮式平臺的水動力性能進行系統研究。在結合現有浮式風機平臺方案優點的基礎上，建立面向深遠海浮式風力機平臺的流程化設計方法并研發新型浮式風機平臺方案，對于未來深遠海風能具有重要的理論意義和工程應用價值。

鑒于此，本文基于初穩性設計原理并借鑒半潛式與單柱式浮式平臺的結構特點，設計了一種大吃水、小水線面積、具有傾斜側柱的新型浮式平臺，根據穩性與設計要求改變結構主尺度與調整質量分布從而對平臺初始參數進行迭代優化。

圖1  新型浮式平臺結構圖

提高浮式平臺穩性有2種辦法：降低重心與增大慣性矩。當前主流的浮式平臺亦是基于這 2 種辦法設計的，例如單柱式平臺通過增大吃水深度從而降低重心，半潛式平臺通過多立柱設計從而增大慣性矩。

然而，上述2類方案均存在其弊端。例如，一味降低重心勢必會增加適用水深與制造成本，導致浮式平臺適用性的降低；而一味增大側柱間距或直徑雖可增大慣性矩，但將導致支撐結構的應力增大，且平臺排水體積增加導致垂蕩共振易于發生。故本文提出，新平臺方案采取將側柱由中間向外傾斜，使得側柱向外傾斜一定角度，保證具有足夠的慣性半徑從而顯著增大慣性矩。在此設計思想的基礎上進行新平臺尺寸參數優化，該流程如圖2所示。

圖2  海上風力機浮式平臺設計優化流程圖

新型浮式風機葉片與塔架屬于超長柔性部件，其形變不可忽略，故考慮為柔性體；輪轂、機艙以及浮式平臺形變可忽略不計，可做剛性考慮；系泊纜作集中質量節點簡化，考慮其動態特性。

本文全耦合數值分析方法基于FAST源代碼和AQWA內置的動態鏈接庫(user_force.dll)實現。其中包含：

1）上部風機：通過FAST建立基于葉素動量定理的氣動模型、基于獨立變槳的伺服控制模型以及基于Kane方程的多體動力學模型；

2）浮式平臺：通過AQWA建立基于Morison方程與勢流理論的水動力模型以及基于集中質量法的動態系泊模型；

3）結構耦合：通過AQWA中的動態鏈接庫對 FAST 進行調用，進行數據交換。計算流程圖如圖3所示。

圖3  考慮結構全耦合效應的計算流程圖

以目前應用最為廣泛的半潛式平臺作為衡量基準，給出了新型浮式平臺和單柱式平臺相對于半潛式平臺在各項指標上的優化程度(單位：%)，如圖4所示。由圖可知：相較于半潛式平臺，新型浮式平臺能夠在降低結構耗材的前提下同時提升各項水動力性能指標的優化程度。例如：新型浮式平臺優化了半潛式平臺易受波浪載荷影響的缺點，降低了一階波浪力；在保持平動附加質量與半潛式平臺較為接近的同時，明顯提高搖動方向附加質量；新型浮式平臺各向輻射阻尼均維持在較優水準，提升了垂蕩與縱搖/橫搖輻射阻尼；此外，新型浮式平臺垂蕩、縱搖/橫搖響應幅值算子明顯小于另外2種平臺，優化了該方向運動響應。

單柱式平臺相對于半潛式和本文新平臺的顯著優點是對結構耗材量帶來的材料成本優勢，但其伴隨而來的運輸成本仍居高不下。更為重要的是，單柱式平臺在多項水動力性能的對比上，優化幅度要明顯小于本文提出的新平臺，且對于適用水深的要求也降低了單柱式平臺的適用性。綜上所述，新平臺在經濟適用性以及水動力性能多項指標均相對2類方案有不同程度的優化。

圖4  平臺運動6自由度時歷運動曲線

本文結合半潛式平臺與單柱式平臺的型式特點，對面向深遠海的新型海上風機浮式平臺進行研究，在考慮海上浮式風力機結構全耦合效應的基礎上，對半潛式平臺、單柱式平臺與本文提出的新型浮式平臺進行了風–浪–流多場動力分析，主要研究結論如下：

1）本文提出了一種海上風力機漂浮式平臺優化設計新方法，該方法基于降低重心與增大慣性矩的思想提高平臺整體穩定性，通過迭代計算優化浮式平臺參數直至達到最優效果。具體實施路徑有：改變結構主尺度，例如修改支撐結構與浮筒截面尺寸、側柱半徑以及傾斜角度；調整質量分布，例如改變壓載物種類與質量、調整重心及吃水深度等。

2）基于本文優化設計流程提出的新型浮式平臺能夠明顯降低波浪載荷的影響。較經典半潛式平臺，新平臺降低平臺整體質量可達近10%量級；相較于單柱式平臺，新平臺降低吃水深度幅度達80%，可有效提高適用水深范圍。綜合對比新平臺與經典半潛式與單柱式平臺水動力性能，該新型浮式平臺能夠明顯優化水動力系數，在受到外部載荷后具有較好的恢復能力；新型浮式平臺相較于半潛式平臺能夠明顯降低垂蕩峰值與其對應波浪頻率，降低發生垂蕩共振的可能性。

3）海上風力機浮式平臺水動力性能研究共性結論表明，上述3種浮式平臺所受一階波浪力與力矩大小均主要取決于平臺各向的投影面積，應在設計與施工時盡量保證波浪與浮式平臺正向平行，以避免產生過大的側向波浪力；多立柱式平臺垂蕩附加質量明顯大于單柱式平臺，縱搖與橫搖附加質量與平臺重心高度有關；多浮體結構較為復雜使得各向輻射阻尼明顯大于單柱式平臺，且在波頻范圍內更加明顯。