学术研究报告：台风条件下全潜式浮式风力机平台的动态响应与系泊失效分析

1. 研究团队与发表信息
本研究的通讯作者为Zihua Zhang（宁波大学土木与环境工程学院），合作者包括Xiaoqian Wang、Xiaoyu Zhang、Chunheng Zhou和Xuan Wang。研究成果发表于期刊*Engineering Structures*（2024年卷301，文章编号117334），在线发布于2023年12月16日。

2. 学术背景与研究目标
随着全球可再生能源需求增长，海上风电因高风能密度和低土地占用等优势快速发展。然而，台风等极端气候对浮式风力机平台构成重大威胁，尤其是系泊系统可能因过载、腐蚀或疲劳发生失效，导致平台失稳甚至倾覆。现有浮式平台主要分为Spar型、半潜式和张力腿平台（TLP）三类，但均存在局限性。本研究结合三类平台的优点，提出一种新型全潜式平台（Fully Submersible Platform, FSP），采用垂直碳纤维增强聚合物（CFRP）腱索与周向悬链链组合系泊系统，旨在提升台风条件下的稳定性和冗余性。

3. 研究方法与流程
研究通过数值模拟与动态分析相结合，分为以下步骤：

3.1 平台设计与环境参数设定
- 平台结构：FSP由中央立柱、垂直浮筒、加强肋和交叉支撑组成，通过4组系泊系统（每组含1条悬链链和2条CFRP腱索）锚定于海床（图1）。
- 环境条件：基于中国气象局2017–2021年热带气旋数据，设定三类台风条件（EC1–EC3），风速36.3–52.1 m/s，波高7.3–12.1 m，采用NPD风谱和JONSWAP波谱模拟风浪载荷。

3.2 数值模拟工具与流程
- 软件工具：采用商业水动力学软件ANSYS-AQWA，分模块进行频域与时域分析：
- AQWA-LINE：计算辐射/衍射水动力特性（附加质量、辐射阻尼）。
- AQWA-DRIFT：分析平台运动响应与系泊力。
- AQWA-FER：低频与波频响应分析。
- 动态响应计算：基于NREL 5 MW风机参数（表1），通过Morison方程（细长构件）和势流理论（大尺度构件）分别计算波浪载荷，并整合风载荷（公式1–4）。

3.3 系泊失效模拟
- 失效判据：根据API规范，设定系泊安全系数阈值（完整系统1.67，单根失效后1.25）。通过逐步降低安全系数模拟系泊断裂，分析失效后平台运动特性与剩余系泊力重分布。

4. 主要研究结果
4.1 未失效平台的动态响应
- 运动特性：在台风条件下，FSP的纵荡（surge）响应最显著（EC3最大位移21.32 m），垂荡（heave）和纵摇（pitch）幅度较小（图6）。频域分析显示，纵荡与垂荡响应主要由波浪频率主导，而纵摇受系泊系统刚度显著抑制（图7）。
- 系泊力分布：迎浪侧系泊（如4号、7号悬链链）张力显著高于背浪侧，EC3条件下部分系泊安全系数低于阈值（表7），预示潜在失效风险。

4.2 系泊失效的连锁效应
- 失效过程：模拟显示，单根系泊（7号悬链链）失效后，平台对称性破坏，导致对角系泊（1号、2号）张力下降，同侧系泊（4号）张力激增并随后失效（图9）。
- 运动响应变化：失效后平台横荡（sway）、横摇（roll）和艏摇（yaw）幅度显著增加，但整体倾角始终小于5°，未发生倾覆（表8）。剩余CFRP腱索通过张力重分布维持稳定性，验证了系统的冗余性。

5. 研究结论与价值
- 科学价值：
1. 新型平台设计：FSP结合CFRP腱索的垂直刚度与悬链链的水平约束，在极端条件下表现出优异的稳定性。
2. 失效机制揭示：首次量化了台风条件下系泊失效的连锁反应，提出“同侧优先失效”规律，为冗余设计提供依据。
- 应用价值：研究成果可直接指导中国东南沿海台风频发区的浮式风电平台设计，降低因系泊失效导致的运维风险。

6. 研究亮点
- 创新方法：首次将CFRP材料应用于浮式平台系泊系统，通过多模块耦合模拟（AQWA）实现高精度动态响应预测。
- 工程启示：平台在双系泊失效后仍保持稳定的特性，为国际浮式风电标准（如API）的冗余设计条款提供了实证支持。

7. 其他发现
- 环境适应性：FSP在波高超过12 m的超强台风条件下，仍能通过自调节浮力与系泊协同作用避免共振，这一特性在同类平台中罕见。
- 数据可用性：研究数据可通过请求获取，为后续研究提供基准案例。

参考文献
文中引用的关键文献包括Jonkman（2010）对浮式平台的对比研究、Ren等（2012）对TLP平台的改进，以及API RP 2SK（2005）系泊设计规范，凸显了本研究在继承基础上的突破性创新。