多形式浮式風(fēng)機半潛式平臺運動特性研究

張 軻，陳 兵

（大連理工大學(xué)，遼寧 盤錦 124221）

能源是關(guān)系到國家發(fā)展戰(zhàn)略的問題，傳統(tǒng)能源已不能滿足國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略需求，需要進行新能源的開發(fā)與探究。風(fēng)能作為目前新能源的一種，具有存儲量大、清潔等諸多優(yōu)點，對其進行開發(fā)具有較大的意義。我國海上風(fēng)能資源相當(dāng)豐富，海上風(fēng)能較陸上風(fēng)能具有許多優(yōu)勢。海上風(fēng)力發(fā)電成為新能源開發(fā)的重要的一個領(lǐng)域，目前海上浮式風(fēng)機的研究得到了較為廣泛的關(guān)注。

綜合考慮經(jīng)濟與安全性，浮式平臺基礎(chǔ)一般采用單柱式平臺（Spar）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)、半潛式結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)以及張力腿平臺（TLP）結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)3類[1-3]。相對而言，半潛式平臺具有一定優(yōu)勢，首先便于在碼頭上對平臺進行建造、組裝、調(diào)試甚至安裝風(fēng)力機，其次系泊系統(tǒng)安裝成本較低，并且維修成本低。因此，當(dāng)前海上浮式風(fēng)機平臺基礎(chǔ)研究中，對半潛式平臺的關(guān)注度較高。學(xué)者對海上浮式風(fēng)機的研究多集中在平臺運動水動力仿真、平臺系泊系統(tǒng)優(yōu)化、平臺結(jié)構(gòu)強度、各式平臺對比等方面。在平臺運動水動力仿真方面，2016年，阮勝福等[4]運用SESAM軟件建立半潛式風(fēng)電平臺的有限元模型，分別計算其頻域和時域運動響應(yīng)，分析了該平臺運動性能和系泊纜張力。2018年，施偉等[5]以南海海況下半潛浮式風(fēng)機為研究背景，采用 ANSYS-AQWA 分析軟件，對浮式風(fēng)機在南海典型海況下的動力學(xué)響應(yīng)進行了分析,探究了故障工況下半潛式平臺的動力學(xué)響應(yīng)。2020年，LI X等[6]采用OC4-5MW海上浮式風(fēng)機系統(tǒng)，利用 FAST軟件探討了船舶的偏航誤差和風(fēng)浪偏差對海上浮式風(fēng)力機動力特性的影響。在平臺系泊系統(tǒng)優(yōu)化方面，范子謙等[7]利用AQWA軟件對某海上千瓦級垂直軸風(fēng)機浮式基礎(chǔ)及其系泊系統(tǒng)進行了水動力分析，并對浮式基礎(chǔ)的系泊方式進行了安全校核計算。李秋辰等[8]參考英國Kincardine風(fēng)機采用的新式Semi-Spar概念提出了一種新式海上浮式風(fēng)機平臺模型。利用AQWA軟件進行了水動力計算，驗證了新式平臺可靠性，并進行了系泊系統(tǒng)優(yōu)化。平臺結(jié)構(gòu)方面，2020年，ALSHUWAYKH A等[9]利用OpenFAST軟件，對NREL 5 MW風(fēng)力發(fā)電機在半潛式平臺上進行了一系列受固定約束和自由移動配置時的仿真，得到平臺運動與載荷差異之間的關(guān)系以及由此產(chǎn)生的疲勞，對風(fēng)機設(shè)計有一定參考意義。平臺形式對比方面，2019年， PHAM T D等[10]對750 kW半潛式平臺風(fēng)力發(fā)電機組進行了模型試驗和數(shù)值模擬,通過改變平臺干舷、輪轂高度等相關(guān)參數(shù)，進行了對比性研究分析。KIKUCHI Y等[11]基于日本5 MW風(fēng)機的全面示范項目進行Spar、半潛式平臺和駁船平臺的建模，利用AQWA進行水動力分析，得到3個平臺運動和系泊力的特性并進行了對比分析。

在上述國內(nèi)外研究中，學(xué)者多采用基于美國可再生能源實驗室（NREL）公布的 5 MW 風(fēng)力機系統(tǒng)的OC4-DeepCwind模型，其次為荷蘭的Tri-floater模型，以及其他形式的三浮筒式模型。在平臺形式對比方面研究中，部分學(xué)者對Spar式、駁船式以及半潛式平臺的浮式風(fēng)機模型進行了水動力方面的對比。針對半潛式平臺模型對比方面，一些學(xué)者進行了多種三浮筒式半潛式平臺模型的對比，比如美國OC4-DeepCwind模型、Tri-floater模型、日本福島未來緊湊式模型等。學(xué)者在各式平臺對比的過程中，有的未控制各式平臺模型的排水量保持一致。并且學(xué)者對其他半潛式平臺的模型形式的關(guān)注相對較少，比如四浮筒形式的半潛式平臺模型，包含浮艙結(jié)構(gòu)的平臺模型。因此，采用當(dāng)前最為流行的OC4-5MW海上浮式風(fēng)機系統(tǒng)的OC4-DeepCwind三浮筒式半潛式平臺模型[4]，并基于該模型，創(chuàng)新性地建立了四浮筒式半潛式浮式平臺基礎(chǔ)。同時參考傳統(tǒng)油氣開發(fā)半潛式平臺模型，創(chuàng)新性地建立了兩浮艙式半潛式平臺模型。使得3個模型的排水量保持基本一致，利用ANSYS AQWA進行了平臺性能的對比?？紤]多種風(fēng)浪流環(huán)境海況，采用相同系泊系統(tǒng)進行了時域分析，對比了3個模型的運動特性情況。發(fā)現(xiàn)排水量一致情況下，在一定風(fēng)浪聯(lián)合環(huán)境條件下，浮艙式結(jié)構(gòu)在多種自由度下表現(xiàn)出一定優(yōu)勢。相對而言，浮筒式結(jié)構(gòu)更有利于抵御流荷載。對在我國不同海域情況下，設(shè)計出更適用于特定海域環(huán)境條件的半潛式平臺，有著一定的設(shè)計指導(dǎo)意義。同時，有利于以后設(shè)計出多種結(jié)構(gòu)形式結(jié)合的性能優(yōu)異的平臺，對未來平臺設(shè)計具有較高的參考價值。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 環(huán)境荷載

關(guān)于風(fēng)載荷，一般采用海面以上10 m處的1 h平均風(fēng)速并配以時變分量，以風(fēng)譜的形式從能量的角度來描述風(fēng)對于海洋工程結(jié)構(gòu)物的影響。目前被海洋工程界廣泛使用的風(fēng)譜主要是API和NPD譜，在最新版本的API RP 2A中，NPD譜成為推薦風(fēng)譜，因此本文采用NPD風(fēng)譜進行風(fēng)的模擬，其介紹如下[12]。

海平面以上z米處的1 h平均風(fēng)速U（z）為：

式中，U（z）為海平面以上z米的1 h平均風(fēng)速；U10為海平面以上10 m處的1 h平均風(fēng)速。

NPD風(fēng)譜描述了某點處縱向風(fēng)速能量密度的波動，其表達式為：

式中，SNPD(f)為頻率f的能量譜密度，m2/s；f為頻率，Hz。

關(guān)于不規(guī)則波，工程界一般使用波浪譜的方式從能量分布的角度來模擬不規(guī)則海況，如PM譜、JONSWAP譜、TMA譜、Breschneider譜等。其中JONSWAP譜的使用十分常見，用于模擬我國南海不規(guī)則波海況，因此本文不規(guī)則波采用JONSWAP譜。

其中，

式中，TP為譜峰周期；γ為譜峰升高因子；σ為譜性參數(shù)；Hs是有義波高；A為無因次風(fēng)區(qū)的函數(shù)；w為頻率。

1.2 浮體運動幅值響應(yīng)算子

浮體運動幅值響應(yīng)算子（Response Amplitude Operaters，RAO）的含義是浮體對應(yīng)自由度運動幅值與波幅的比，表明在線性波浪作用下浮體的運動響應(yīng)特征。以船舶的橫搖運動為例，橫搖RAO為船舶在單位波幅的規(guī)則波作用下所產(chǎn)生的，關(guān)于波浪頻率的橫搖運動幅值函數(shù)，近似表達式見式（8）：

式中，θX為船舶橫搖運動幅值；ξa為入射波波幅，此處為規(guī)則波單位波幅；DAFRoll為橫搖運動方程得到的動力放大系數(shù)；ω為入射波圓頻率；β為入射波角度。上式單位為(°/m)。

RAO本質(zhì)上描述的是線性條件下入射波幅與浮體運動幅值的關(guān)系。當(dāng)對運動響應(yīng)結(jié)果求一次導(dǎo)數(shù)、二次導(dǎo)數(shù)后，對應(yīng)的運動RAO變?yōu)檫\動速度響應(yīng)RAO和加速度響應(yīng)RAO。

2 半潛式風(fēng)機平臺設(shè)計

NREL公布的OC4-5MW海上浮式風(fēng)機系統(tǒng)由浮式平臺、錨鏈系統(tǒng)、風(fēng)機機艙、塔架組成。其中其風(fēng)機機艙、塔架的主要設(shè)計參數(shù)如表1所示。

表1 OC4-5MW風(fēng)機機艙、塔架主要設(shè)計參數(shù)

本文采用OC4-5MW海上浮式風(fēng)力機系統(tǒng)的DeepCwind三浮筒式半潛式平臺基礎(chǔ)[4]，參考相關(guān)參數(shù)，設(shè)計了四浮筒式風(fēng)機平臺基礎(chǔ)，以及兩浮艙式風(fēng)機平臺基礎(chǔ)，利用SolidWorks建立了上述3個平臺基礎(chǔ)的三維模型。3個模型裝機效果如圖1所示。圖中風(fēng)機平臺基礎(chǔ)從左到右依次稱為三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式浮式風(fēng)機，塔筒與風(fēng)機均參照OC4-5MW海上浮式風(fēng)機。該風(fēng)力發(fā)電機的額定功率為5 MW，當(dāng)切入風(fēng)速達到3 m/s，風(fēng)機開始工作；當(dāng)風(fēng)速達到11.4 m/s時，風(fēng)機達到額定功率5 MW，此時風(fēng)機發(fā)電效益較好。風(fēng)機切出風(fēng)速為25 m/s。

圖1 3種半潛式平臺裝機模型： 三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式

其中，3種半潛式浮式風(fēng)機基礎(chǔ)相關(guān)設(shè)計參數(shù)如表2所示：

表2 三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式平臺基礎(chǔ)的 主要設(shè)計參數(shù)

如圖1所示，上述3種平臺均主要通過側(cè)面浮筒或者浮艙提供浮力。在正常工作作業(yè)時，需要在各平臺基礎(chǔ)的浮筒或者浮艙中加入一定的壓艙水來進行壓艙工作，使得平臺基礎(chǔ)達到預(yù)定水位，最終，壓艙完畢的平臺基礎(chǔ)及其系泊系統(tǒng)的重力與浮力達到相對平衡。其中三浮筒式浮式風(fēng)機基礎(chǔ)模型以最小網(wǎng)格尺度1.5 m進行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單元數(shù)為16 579，節(jié)點數(shù)為165 48；四浮筒式風(fēng)機平臺模型以最小網(wǎng)格尺度1.2 m進行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單元數(shù)為28 112，節(jié)點數(shù)為28 059；兩浮艙式風(fēng)機平臺模型以最小網(wǎng)格尺度1.5 m進行網(wǎng)格劃分，采用結(jié)構(gòu)網(wǎng)格，單元數(shù)為18 082，節(jié)點數(shù)為18 064。圖2為3個浮式風(fēng)機平臺基礎(chǔ)進行網(wǎng)格劃分后的數(shù)值模型。

圖2 3種半潛式平臺數(shù)值模型：三浮筒式、 四浮筒式、兩浮艙式

3 風(fēng)荷載的施加

對于風(fēng)電機在正常發(fā)電的風(fēng)載荷（本文只計算水平氣動推力），按照《風(fēng)力發(fā)電機組設(shè)計要求》（JB/T10300—2001）計算，并計入風(fēng)力系數(shù)之中[13]。考慮在風(fēng)機正常發(fā)電時，作用在風(fēng)輪掃掠面積上的平均壓力PH由下式確定。

式中，ρa為空氣密度，一般采用ρa=1.297 kg/m3；CFB為系數(shù)，根據(jù)貝茨公式可取CFB=8/9；u為風(fēng)速。

正常發(fā)電時，作用于塔架頂部即輪轂處的水平風(fēng)力為：

式中，A0為風(fēng)輪掃掠面積，指的是風(fēng)輪在旋轉(zhuǎn)平面上的投影面積；D為葉輪直徑。

4 時域分析

4.1 系泊系統(tǒng)

關(guān)于系泊系統(tǒng)：根據(jù)規(guī)范DNV[14-15]的相關(guān)建議，采取公稱直徑78 mm的有檔系泊錨鏈（R3），其相關(guān)參數(shù)為：空氣中重量133 kg/m，水中重量122 kg/m，軸向剛度6.433×107kN·m-2，斷裂力5 123 kN，拖曳力直徑0.076 mm，附加質(zhì)量系數(shù)1.0，拖曳力系數(shù)1.2，軸向拖曳力系數(shù)0.4。三者使用相同的系泊懸鏈式系統(tǒng)，并按照側(cè)浮筒個數(shù)均勻布置，每個系泊纜依次給出標號進行設(shè)定，如圖3所示。

圖3 三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式系泊系統(tǒng)布置

4.2 環(huán)境條件

浮式風(fēng)機在正常工作情況下，會受到多種環(huán)境荷載的影響，比如風(fēng)、浪、流等常見海域荷載。為更好地探究3種浮式風(fēng)機平臺的環(huán)境適應(yīng)能力，采用多種荷載聯(lián)合作用的環(huán)境條件。我國南海風(fēng)力資源豐富，有研究表明，南海東沙群島、西衛(wèi)灘附近海域出現(xiàn)波高的極大值點，其一年一遇的最大波高為2.7 m[16]。故波浪波高采用各季節(jié)中的常見波高，波浪譜為JONSWAP譜的不規(guī)則波，譜峰因子保持3.3不變。關(guān)于風(fēng)荷載，5 MW浮式風(fēng)機的額定風(fēng)速11.4 m/s，此時達到其額定運行功率，研究此風(fēng)速荷載下風(fēng)機平臺基礎(chǔ)的運動響應(yīng)有較大意義。故采用NPD風(fēng)譜，1 h內(nèi)平均風(fēng)速為11.4 m/s。海表面流流速采用0.9 m/s。其中風(fēng)、浪、流的方向均為0°方向，如圖3所示，即風(fēng)機的完全迎風(fēng)方向保持一致，相關(guān)工況見表3。

表3 多種環(huán)境條件工況定義

4.3 時域分析結(jié)果

在影響浮式風(fēng)機運動響應(yīng)的環(huán)境荷載中，風(fēng)與浪的影響是最大的，因此考慮1、2、3工況下，風(fēng)浪聯(lián)合作用時，不同譜峰周期的JONSWAP譜對各式浮式風(fēng)機平臺基礎(chǔ)的運動響應(yīng)的影響。如圖4所示，為在風(fēng)浪荷載聯(lián)合作用的1、2、3工況下，各浮式風(fēng)機平臺的縱蕩、橫蕩、垂蕩、橫搖、縱搖、艏搖6個自由度的運動幅值情況的統(tǒng)計值。由于3種浮式風(fēng)機平臺基礎(chǔ)的形狀結(jié)構(gòu)、質(zhì)量分布有較大差異，造成其各固有頻率的不同，因而不同譜峰周期的JONSWAP譜不規(guī)則波對其造成的影響有著一定差異。

圖4 3種平臺的六個自由度時歷響應(yīng)統(tǒng)計值隨譜峰周期變化圖

圖4結(jié)果顯示：在縱蕩、橫蕩、橫搖、艏搖四個自由度方面，三浮筒式風(fēng)機平臺在1、2、3工況（分別對應(yīng)譜峰周期為5 s、10 s、15 s）下的運動響應(yīng)最大值較其他式風(fēng)機基礎(chǔ)均為最大，其次為四浮筒式，而兩浮艙式的值最??；在垂蕩自由度下，三者運動響應(yīng)最大值均不大，三浮筒式和四浮筒式均在1.3 m左右且較為接近，兩浮艙式在各工況下最大；在縱搖自由度下，三浮筒式在3工況下運動轉(zhuǎn)角均為最小，其他工況四浮筒式最小，兩浮艙式在所有工況中均最大。由于風(fēng)、浪的作用方向均為與x軸夾角為0°的方向，因此三者運動響應(yīng)幅值的最大值在縱蕩、縱搖均表現(xiàn)得比較明顯。而三浮筒式在橫蕩、艏搖方面表現(xiàn)出較大運動響應(yīng)最大值，可根據(jù)其錨泊系統(tǒng)中系泊纜相關(guān)受力進行一些分析，如圖5所示。

圖5 三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式系泊纜頂端張力時歷曲線圖（工況1）

在該風(fēng)、浪入射角度下，三者均有兩個系泊纜受較大張力，并且四浮筒式和兩浮艙式的受力較大的系泊纜（1、2纜）受力隨時間的變化趨勢幾乎一致。而三浮筒式的受力較大的系泊纜（2、3纜）受力情況重合性不如其他兩者，反映了其在橫蕩、艏搖方面出現(xiàn)了較大的運動。俯視角度下三浮筒式1纜的布置與風(fēng)、浪入射角度重合，且只有纜1在最初時間段進行張力的卸載。在纜1張力的卸載到一定程度時，由于其他兩個纜具有一定彈性，也會進行力的卸載，會導(dǎo)致纜1的舒張。上述過程可以在圖5中最初時間段可以明顯觀察到，而三浮筒式是在最初纜1的舒張過程中，其他兩纜受力開始不重合，即出現(xiàn)一定的橫蕩、艏搖運動。三浮筒的纜1最初在對稱軸上，且只有一個，在該入射風(fēng)、浪荷載作用下，會出現(xiàn)一定的振動現(xiàn)象，難以保持在對稱軸上，便會引起不對稱性。而其他兩式的3、4纜的布置則能保持較好的對稱性，因此導(dǎo)致三浮筒式比其他兩式在橫蕩、艏搖方面出現(xiàn)較大的運動。由圖5可知，各式浮式風(fēng)機平臺系泊系統(tǒng)在時域分析中，其系泊纜始終滿足纜的強度設(shè)計要求，表明該工況下，此系泊系統(tǒng)布置可行。由于系泊系統(tǒng)合理均勻布置，三者在6個自由度的運動響應(yīng)平均值除縱蕩方面均表現(xiàn)得較小。在縱蕩方面，三者在3種工況下的運動響應(yīng)平均值，依然是三浮筒式最大，其次是四浮筒式，兩浮艙式最小。

在進行時域分析前，對各式平臺進行了規(guī)則波波浪的頻域水動力分析，以探討其各自由度方向的固有頻率，采取多頻率周期及多浪向的入射波荷載。結(jié)果表明，各式平臺在縱蕩、橫蕩方向，其RAO均在波浪周期為 5 s 左右時表現(xiàn)出一個峰值；垂蕩方向，三浮筒式、兩浮艙式表現(xiàn)出一個極大值和一個極小值，兩者的極大值分別在波浪周期 10 s、15 s 附近，極小值分別在 15 s、30 s 附近。四浮筒式則分別在 5 s 左右、10 s 左右表現(xiàn)出兩個極大值，在 7.5 s 左右、13 s 左右表現(xiàn)出兩個極小值；橫搖方面，三浮筒式、四浮筒式均分別在波浪周期為 10 s 左右、20 s 左右達到極大值，且 20 s 達到最大值。而兩浮艙式分別在 5 s 左右、10 s 左右的規(guī)則波波浪周期時達到兩個極大值，于波浪周期為 10 s 處達到其最大值；艏搖自由度方面，三浮筒式、四浮筒式均分別在波浪周期為10 s 左右、20 s 左右達到極大值，且 20 s 達到最大值。兩浮艙式于 3～5 s 左右有一極大值，另一個極大值在如 0°等多個浪向下于 5 s 左右達到。由上述可知，波浪周期為5 s時對各式平臺影響較大，圖6即為工況1下，5 s周期規(guī)則波分量作用于各式平臺于10 025 s時的所受壓力云圖，可以觀察出各式平臺所受壓力分布及大小，其中藍色越深表示越小，黃色越深，甚至達到紅色表明壓力越大。

圖6 三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式10 025 s時壓力云圖（周期5s規(guī)則波分量）（工況1）

在對比各工況下各式浮式風(fēng)機平臺各自由度運動響應(yīng)最大值之后，各式浮式風(fēng)機平臺在風(fēng)浪荷載聯(lián)合作用時，各自由度對應(yīng)的不規(guī)則波的譜峰周期的響應(yīng)敏感度是不同的。三者在縱蕩自由度下，四浮筒式、兩浮艙式在1工況均表現(xiàn)出最高值，表明譜峰周期為5 s的JONSWAP譜對兩者在縱蕩自由度的影響最大，其含有的波浪頻率更接近四浮筒式、兩浮艙式平臺縱蕩自由度的固有頻率。三浮筒式在工況3下達到最大值。在一些自由度中，平臺的運動響應(yīng)最大值表現(xiàn)出與不規(guī)則波譜峰周期變化趨勢表現(xiàn)一致或相反的趨勢。如在橫蕩自由度下，隨著不規(guī)則波譜峰周期的增大，三浮筒式的運動響應(yīng)最大值逐漸減小，而四浮筒式與兩浮艙式運動響應(yīng)最大值逐漸增大。垂蕩自由度下，兩浮艙式運動響應(yīng)最大值與不規(guī)則波的譜峰周期變化趨勢保持一致。橫搖自由度下，兩浮艙式與四浮筒式運動響應(yīng)最大值與不規(guī)則波的譜峰周期變化趨勢保持一致，而三浮筒式則表現(xiàn)為相反趨勢?？v搖方面，三浮筒式和四浮筒式與不規(guī)則波譜峰周期變化趨勢保持一致。艏搖方面，三浮筒式運動響應(yīng)最大值與不規(guī)則波的譜峰周期變化趨勢保持相反，而四浮筒式、兩浮艙式運動響應(yīng)最大值保持一致。

為探討流荷載對各式風(fēng)機平臺的影響，故考慮對比在工況1與工況4時，各浮式風(fēng)機平臺在各自由度方向上的運動響應(yīng)值的最大值與平均值如表4所示。

表4 3種平臺的六個自由度時歷響應(yīng)統(tǒng)計值（工況1與工況4）

工況1與工況4是相同的風(fēng)、浪荷載，而工況4含有流荷載的施加，是風(fēng)浪流聯(lián)合作用的工況。如表4所示，由于流荷載的施加，3種浮式風(fēng)機平臺的在六個自由度的運動響應(yīng)平均值的絕對值，除三浮筒式在橫蕩自由度下均有所增加。特別在該角度下入射影響最大的縱蕩、縱搖兩個自由度，三者的平均運動響應(yīng)值增加得更為明顯一些。在運動響應(yīng)最大值方面，縱蕩、縱搖、艏搖3個自由度，三者均增大，橫蕩、橫搖方面，三浮筒式與四浮筒式均減小，而兩浮艙式增大。垂蕩方向三者運動響應(yīng)變化不大，只有四浮筒式增大。

由于縱蕩、橫蕩、艏搖3個自由度三浮筒式風(fēng)機平臺的運動響應(yīng)最大值較大且變化較為明顯，因此對比其3種自由度下的運動響應(yīng)變化值有著一定的必要性，如圖7至圖9分別為3種浮式風(fēng)機平臺在工況1與工況4下的縱蕩、橫蕩、艏搖自由度的在運動穩(wěn)定之后的9 500 s到10 800 s的時歷響應(yīng)曲線對比圖。

圖7 三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式縱蕩方向運動 響應(yīng)時歷曲線圖

圖9 三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式艏搖方向運動 響應(yīng)時歷曲線圖

如圖7所示，受流荷載施加影響，3種風(fēng)機平臺在縱蕩自由度方向上，三者的平均值均有著明顯的增大趨勢，分別增加24.65%、13.00%、12.88%。而縱蕩方向運動位移最大值分別增大了11.63%、7.76%、16.44%。三者的標準差分別由4.06到3.16，由2.65到2.10，由2.21到1.99，均呈現(xiàn)出遞減趨勢，分別遞減22.19%、11.79%、9.99%。因此在上述海況條件下0°方向風(fēng)浪流聯(lián)合運動中，流荷載對平臺縱蕩方向運動響應(yīng)的影響上表現(xiàn)為使得平臺運動響應(yīng)平均值、最大值均有著一定的增幅，而運動響應(yīng)標準差減小。

如圖8所示，受流荷載加入的影響，3種風(fēng)機平臺在橫蕩自由度方向上，三浮筒式、四浮筒式運動響應(yīng)有著明顯的減小，而兩浮艙式有著明顯的增大，其最大值分別變化百分比為-36.84%、-48.75%、881.25%。由于結(jié)構(gòu)對稱性和荷載對稱性，三者平均值均接近于0，變化趨勢和最大值一致。三者的標準差變化趨勢與最大值同樣一致，分別由8.36到4.7、由1.53到0.74、由0.03到0.48。由此可知，在橫蕩方向，流荷載的施加，對兩浮艙式平臺的影響較大，均有增大的趨勢，而三浮筒式、四浮筒式卻有減小趨勢。

圖8 三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式橫蕩方向運動 響應(yīng)時歷曲線圖

如圖9所示，流荷載對三者在艘搖自由度的運動響應(yīng)的最大值、平均值均有增大的影響，三浮筒式、四浮筒式、兩浮艙式的艏搖運動響應(yīng)最大值增大幅度分別為4.29%、35.14%、892.86%，即使兩浮艙式該方向上的運動響應(yīng)值仍然較小，但其增長幅度較大。三者在運動值的標準差均有增大趨勢，分 別 由9.14到9.33、0.60到0.78、0.08到1.29，增大幅度分別為2.12%、29.92%、1 591.56%。

圖7至圖9的結(jié)果分析表明，在上述分析環(huán)境條件下，即沿著浮艙較長面方向來流時，平臺浮筒式結(jié)構(gòu)相對浮艙式結(jié)構(gòu)，其主要運動方向即縱蕩、橫蕩、艏搖方面的運動響應(yīng)，流荷載的施加引起較小的變化，因此浮筒結(jié)構(gòu)更具備抵御此來流方向的流荷載的能力，為以后的平臺設(shè)計提供了一定的參考。

針對風(fēng)、浪、流荷載聯(lián)合作用的情況，為探討JONSWAP譜有義波高對各浮式風(fēng)機平臺運動響應(yīng)的影響，工況4到工況7環(huán)境條件的變化只是不規(guī)則波有義波高的變化。為更為清楚地觀察其綜合影響趨勢，對3種浮式風(fēng)機基礎(chǔ)在各波況下各自由度下的運動響應(yīng)最大值，分別進行了線位移的矢量和疊加及角位移矢量和疊加。工況4到工況7的環(huán)境條件下，3種浮式風(fēng)機平臺線位移矢量和及角位移矢量和最大值隨不規(guī)則波有義波高變化情況如圖10所示。

圖10 3種浮式風(fēng)機平臺線位移矢量和與角位移矢量和最大值隨有義波高變化圖（工況4到7）

由圖10可知，在上述風(fēng)、浪、流聯(lián)合作用的海況，改變不規(guī)則波有義波高的情況下，3種平臺的運動響應(yīng)的線位移矢量和最大值隨著有義波高的增大而增大。三浮筒式的角位移矢量和最大值隨波高的增大而先減小后增大，其他兩者均有減小趨勢，三者變化值均不太明顯。無論線位移矢量和還是角位移矢量和，三浮筒式的值均始終大于四浮筒及兩浮艙的值。對于運動響應(yīng)最大值線位移矢量，四浮筒式的值保持大于兩浮艙式的值。而對于運動響應(yīng)最大值角位移矢量，兩浮艙式的值保持大于四浮筒式的值。

由上述各式平臺運動特性可知，工況4到7下，各平臺工況4位移運動響應(yīng)最大，因此下面進行工況1到4下錨泊纜頂端張力的校核。圖11為各式平臺受力最大系泊纜隨時間的變化圖，為便于分析，取0～1 000 s部分，且選擇各式系泊纜張力最大的纜進行對比。顯然三浮筒式的兩個纜受力最大值較大，并且其變化劇烈程度明顯高于其他兩式的系泊纜張力。而四浮筒式1號纜和兩浮艙式的1號纜兩者頂端張力值相近，大小交替進行，整體上四浮筒式于較多時刻低于兩浮艙式。校核各式平臺各纜于所有時刻的頂端張力，各工況下系泊纜最大值如表5所示，顯然各式平臺系泊系統(tǒng)均滿足強度要求，系泊系統(tǒng)布置合理。

圖11 3種平臺的錨泊纜頂端張力時歷曲線圖

表5 3種平臺的錨泊纜頂端張力最大值（工況1到4）

5 結(jié) 論

本文采用OC4-5MW海上浮式風(fēng)力渦輪機系統(tǒng)的DeepCwind半潛式平臺模型[1]，并建立了四浮筒式和兩浮艙式風(fēng)機平臺基礎(chǔ)，分析風(fēng)機工作時的受力情況，加入風(fēng)力系數(shù)中，通過使用ANSYS-AQWA軟件在一定海況下進行時域分析，得出以下研究結(jié)論。

（1）在風(fēng)浪聯(lián)合作用的工況下，在不規(guī)則波的頻譜周期變化時，對于3種浮式風(fēng)機平臺基礎(chǔ)的最大值運動響應(yīng)，三浮筒式平臺在縱搖自由度有優(yōu)勢，在垂蕩自由度下，三浮筒式和四浮筒式均有優(yōu)勢，兩浮艙式在縱蕩、橫蕩、橫搖、艏搖四個自由度有優(yōu)勢。

（2）在文中系泊系統(tǒng)布置及海況條件下，兩浮艙式只在縱蕩運動平均值表現(xiàn)的增幅最小為12.88%。其他方面均變化明顯。流荷載的施加，運動響應(yīng)最大值方面，三浮筒式、四浮筒式以及兩浮艙式在縱蕩方向分別增大了11.63%、7.76%、16.44%，橫蕩方向變化為-36.84%、-48.75%、881.25%，于艏搖方向增大幅度分別為4.29%、35.14%、892.86%。因此流荷載的施加對兩浮艙式縱蕩、橫蕩、艏搖3個自由度方向的運動響應(yīng)影響最大。在橫蕩方面，三浮筒式、四浮筒式表現(xiàn)出明顯減小趨勢，而縱蕩、艘搖方面增幅不大，可能與其共有的浮筒結(jié)構(gòu)相關(guān)?？芍⊥彩浇Y(jié)構(gòu)更有利于抵御流荷載，可根據(jù)相關(guān)海域環(huán)境，進行綜合設(shè)計平臺結(jié)構(gòu)，綜合利用浮筒式與浮艙式的設(shè)計，達到更為優(yōu)異的性能。

在不規(guī)則波波浪有義波高變化的風(fēng)浪流聯(lián)合作用工況下，四浮筒式風(fēng)機平臺的運動響應(yīng)最大值的線位移矢量和最小，在17 m左右。兩浮艙式風(fēng)機平臺的運動響應(yīng)最大值角位移矢量和最小，在3°左右，三浮筒式的值均始終大于四浮筒的值及兩浮艙的值，分別在30 m和21°左右。各式風(fēng)機平臺的運動響應(yīng)線位移矢量隨不規(guī)則波有義波高的增加而增大，角位移矢量和變化不明顯。