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背景简介

本研究开发了一种新方法，用于对浮式海上风力涡轮机的下部结构进行疲劳可靠性分析和设计。该方法通过时间域内全耦合的非线性动态响应，为设计浮动结构上的疲劳关键焊接接头提供了一种计算效率高且稳健的评估手段。研究首先基于疲劳损伤贡献选择关键海况，然后利用OpenFAST软件进行耦合的空气-水-伺服-弹性模拟来分析动态响应。通过结合全局结构分析的解析解和应力集中因子的经验解，估计热点应力历史，并采用Palmgren-Miner线性损伤规则计算长期疲劳损伤。为了确保精度，使用多个随机种子进行动态响应模拟。研究还基于自举法和蒙特卡洛模拟，开发了一种新的时域疲劳可靠性分析算法，用于预测概率疲劳寿命。最终，研究考虑了S-N（应力-寿命）和损伤容限设计（DTD）方法，完成了疲劳可靠性分析，为浮式风力涡轮机的设计和优化提供了科学依据。

成果介绍

（1）基于S-N和DTD法评估疲劳损伤，计算了834个海况，并结合相应的发生概率进行加权，以估计长期疲劳损伤（图1）。图2显示了考虑两个模拟长度（600 和 3600 秒）的参数研究结果。大约八分之一的完全分散（102 个海域）造成了大部分 (80%) 的长期疲劳损伤。另外，600和3600的模拟长度差异不具有统计学意义。因此，通过使用本研究中提出的算法，可以显著减少获得时域动态响应所需的计算量，从而可以将更多数量的随机实现的模拟集成到使用 MCS 的疲劳可靠性分析中。

 图1 概率加权短期疲劳损伤 (FD) (a) Vs = 10m/s (b) Vs = 12m/s (c) Vs = 14m/s (d) Vs = 16m/s (e) Vs = 18m/ s (f) Vs = 20m/s

图2 关于海况的精度变化 （a）600 s（b）3600 s

（2）在与风速区间 12-18 m/s 相关的海况中，对长期疲劳损伤的贡献更高。这是因为风引起的载荷是大多数这些国家疲劳载荷的主要来源。此外，波浪引起的载荷在风速为 20m/s 后变得相当有效，因为这些海况发生的概率使得贡献几乎可以忽略不计。

（3）图3显示了疲劳可靠性分析的结果，结果表明，在给定的环境和操作载荷下，所讨论的焊接管在使用寿命结束之前不具有足够的能力来实现其预期目的。鉴于这些结果，必须修改结构设计，因为潜在的疲劳失效的后果可能是灾难性的。或者，可以通过获取有关环境载荷的更多信息或使用应力集中因子和全局应力计算的高保真模型来减少认知不确定性。

图3 基于 S-N 方法的整个 25 年使用寿命的疲劳可靠性

（4）图4显示了结构可靠性如何随着时间的推移而降低到结构被认为不安全的程度，与 S-N 方法相比，基于 DTD 方法的疲劳可靠性分析结果保守性较少；尽管如此，在25年使用寿命结束之前，可靠性指标仍低于可接受的安全水平。为了解决这个问题，可以在设计阶段制定检查计划，以执行目视或无损测试来检测相关焊接管接头周围的裂纹。此外，根据检查结果，疲劳可靠性分析可以通过更全面的结构完整性评估来补充，该评估使用 FOWT 的最新负载历史来考虑负载顺序和过载引起的延迟。值得注意的是，当考虑到过载引起的塑性时，裂纹扩展的变化可能会加剧。如图 4 所示，有（红线）和没有过载塑性影响（蓝线）的 FCG 之间在给定时间内的裂纹深度差异相当显着。此外，可以说，在使用寿命的后期阶段应该会出现更大的差异。在使用一年后，预计裂纹扩展范围为约21毫米至38毫米，这表明考虑载荷顺序和延迟效应的FCG受到更高程度的不确定性，运营商需要在可靠性或基于风险的检查和维护计划的范围内考虑这一点。

图4 基于损伤容限方法疲劳可靠性随时间变化

（5）与S-N方法不同，DTD方法操作灵活，这意味着操作员可以根据操作和经济环境决定何时以及如何检查关键结构细节并执行必要的活动。这种灵活性对于FOWT结构尤其重要，因为疲劳损坏的主要原因是风力涡轮机运行时产生的风致载荷，而实施主动疲劳载荷控制可以延长维护和修理活动之前的剩余寿命。

致谢

这项工作得到了英国工程和物理科学研究委员会(EPSRC)的资助，作为海洋-REFuel (海洋可再生能源燃料，EP/W005212/1)计划的一部分，被授予斯特拉斯克莱德大学、纽卡斯尔大学、诺丁汉大学、卡迪夫大学和伦敦帝国理工学院。此外，基于斯特拉斯克莱德大学的ARCHIE - WeSt高性能计算机( www.archie-west.ac.uk )用于产生概率结构完整性分析的结果。本文第一作者Fengshen Zhu（University of Strathclyde, Glasgow, UK），通讯作者Baran Yeter（University of Strathclyde, Glasgow, UK）。

本期小编 石　韬（整理）

姚辰霖（校对）

王康康（审核）

董乃健（发布）