背景简介

随着海上风电开发向深远海推进，漂浮式风电机组在台风等极端风况下的结构安全问题愈发重要。叶片作为关键承载部件，长时间服役于复杂载荷环境中，易出现疲劳损伤和裂纹破坏，影响设备结构安全性。传统风机设计与数值模拟普遍基于高斯风速模型构建风场，但实测台风数据表明风速过程呈现明显的非高斯特征。这种统计特性的变化会导致风机载荷波动幅度加剧，使疲劳寿命预测产生偏差，若仍采用高斯风速模型，可能低估极端风况下的裂纹扩展风险。针对这一问题，本文提出一种非高斯风场建模—漂浮式风机耦合动力学仿真—裂纹扩展有限元分析的综合评估方法，结合Hermite Moment模型生成满足高阶统计特征的非高斯风速序列，耦合Paris定律开展裂纹扩展模拟，并在NREL 5 MW OC3-Hywind漂浮式风机模型上开展算例分析，量化了非高斯风对叶片裂纹扩展速率的影响。本文的研究成果为受台风影响海域风机的安全设计、疲劳评估和运维策略提供理论依据，对完善极端风况设计标准具有重要意义。

成果介绍

（1）提出基于Hermite Moment模型的非高斯风场构建方法，通过引入三阶和四阶统计参数，对高斯风速序列进行修正，重构偏度和峰度特征，生成具有实际台风风场特征的非高斯风场。在该过程中，保持了风场湍流强度不变，同时提高了时间历程在高频阵风部分的拟合精度。参考台风“海葵”的实测数据进行参数标定，使得所生成的非高斯风速序列概率分布能够有效再现台风过程中的厚尾特性（图1），为后续的载荷分析提供更真实的输入条件。

图1 高斯与非高斯风速模型概率密度分布

（2）在漂浮式风机动力学分析中，构建了完整的非高斯风场输入下的全耦合时域仿真模型，采用NREL 5 MW OC3-Hywind漂浮式风机模型（图2）作为研究对象，使用自主开发的风机仿真软件LOOSE进行计算，并考虑了风、浪、平台运动及控制策略之间的耦合效应。通过模拟得到叶片在不同风速工况下的截面弯矩、扭矩以及变桨角度等计算结果，为后续裂纹扩展分析提供了准确的载荷时程。

图2 NREL 5 MW OC3-Hywind漂浮式风机模型

（3）提出了整机响应与裂纹扩展有限元分析的一体化评估流程，将风机耦合仿真得到的叶片载荷时程映射到含裂纹的高精度有限元模型中（图3），利用应力强度因子（SIF）和应变能释放率评估裂尖受力状态，并结合雨流计数法对不规则载荷循环进行统计，采用Paris定律模拟裂纹在全寿命周期的增长过程。该流程实现了从风场输入到裂纹扩展预测的全链路模拟，确保在考虑实际载荷波动特征的前提下，能够对裂纹的扩展速率进行精确预测，并为剩余寿命评估提供裂尖力学信息。

图3 风机叶片有限元模型

（4）在裂纹位置与尺寸敏感性方面，研究针对叶片不同的初始裂纹长度（200 mm、300 mm、400 mm、500 mm），多个典型位置（根部、25%、35%、70%）及多个典型风速工况（10 m/s, 12 m/s, 14 m/s, 16 m/s）进行了分析（图4），结果表明，裂纹位置对扩展行为影响显著，叶根裂纹扩展速率最高，因该区域承受的弯矩最大；叶尖裂纹扩展速率次之，受扭矩影响明显；中段区域裂纹增长速率相对较低。这些规律为缺陷监测策略和检修计划制定提供了重要参考。

图4 不同风速工况下的风机叶片有限元仿真

（5）通过对比高斯和非高斯风载作用下的裂纹扩展行为，定量评估了非高斯特性对裂纹增长速率的影响。在中高风速工况（10 m/s和14 m/s）下，非高斯风载引起的裂纹扩展量分别比高斯假设下提高约26.54%和23.73%，部分场景最大差异达到36.95%，可能导致叶片寿命显著缩短；而在额定风速工况（11.4 m/s）下，由于变桨控制对载荷波动的调节作用，两者差异有所减小。研究结果表明，如果设计阶段忽略非高斯效应，可能会低估极端风况下的裂纹扩展风险，对台风区风机的安全设计带来隐患。

图5 基于高斯和非高斯风况的不同风速下、不同初始位置的裂纹扩展曲线图

致谢

这项工作得到了国家重点研发计划（2023YFE0115400）、国家自然科学基金（52475156）、上海市浦江人才计划（22PJ1421200）资助。作者感谢美国德州农工大学Bert Sweetman教授和英国纽卡斯尔大学胡志强教授对本论文提出的宝贵意见。本文第一作者：石韬（华东理工大学），本文通讯作者：戴澍（上海勘测设计研究院有限公司）、温建锋（华东理工大学）。

本期小编 戴　澍（整理）

周子尧（校对）

 舒　阳（审核）

董乃健（发布）