风浪耦合作用下浮式风机平台结构总强度分析
摘要
随着水深的增加，浮体支撑平台的规模和成本随之增加，成为浮式风电商业化市场
规模扩大的主要制约因素。充分考虑浮体支撑平台的结构特点，掌握风浪作用下水气动
力耦合载荷及其所致的结构效应，可以合理有效的设计结构构件，为浮式风机的轻量化
开发提供技术积累。
本文针对具有自主知识产权浮式风机概念，完成了半潜式支撑浮体的结构设计，基
于三维势流理论和叶素-动量理论，分析了海上气动载荷和波浪载荷，完成了浮体平台结
构在风浪联合作用下的总强度的评估，研究了立柱-撑杆为主体结构特征的支撑浮体强
度分布规律。主要工作包括：
（1）参考IEC、DNV等机构浮式风机及海上浮式结构物的相关设计规范，完成了
风机平台的结构设计。针对浮式风机立柱-撑杆为主的结构和节点型式，提出了节点内部
支撑设计的创新方案。强度分析表明，该支撑结构有效缓解了撑杆传递的载荷影响；
（2）充分考虑浮体平台主体空间构型，参考DNV中对半潜式海洋平台结构危险剖
面特征载荷的规定，获取多撑杆组合的危险截面载荷极值；通过平台湿表面建模和结构
质量模型，得到了平台特征载荷响应算子（RAO），结合设计极端海况的波浪谱，确定
了平台的设计波参数，获得了平台波浪载荷；
（3）对结构进行有限元建模，重点模拟了平台主体结构，合理设置了材料参数、单
元类型、边界条件和质量分布，并对设备和压载重量补充了质量点单元，施加各种特征
载荷工况对应的湿表面压力和惯性力，完成强度分析计算；重点选择立柱、塔架、垂荡
箱和横撑四个主要区域的节点位置，提取了结构合成应力响应数据，分析了平台在波浪
载荷作用下的应力响应特点。
（4）针对风机所受气动载荷的计算，使用FAST开源程序中的线性化功能，建立了
完整的浮式风力机全系统状态空间模型，基于所确定的设计波，考虑浮体运动对气动载
荷的影响，计算了多种风浪组合情况下的风力机气动载荷，得到了塔基的受力，完成了
塔基载荷和波浪载荷联合作用下的结构总强度评估。通过风浪耦合作用和仅波浪作用下
的平台强度比较，评估了气动载荷的影响程度和结构响应特征。
关键词：浮式风机平台；设计波法；风浪联合作用；强度评估
风浪耦合作用下浮式风机平台结构总强度分析
Abstract
Aswaterdepthincreases,thesizeandcostoffloatingsupportplatformsincrease,
becomingamajorrestraintfortheexpansionofthemarket.Fullyconsideringthestructural
characteristicsofthefloatingsupportplatform,masteringthecoupledloadofwaterandgas
powerundertheactionofwindandwavesandthestructuraleffectscausedbyit,itcanprovide
technicalaccumulationforthelightweightdevelopmentoffloatingwindturbineplatform.
Basedonthethree-dimensionalpotentialflowtheoryandleaf-primetheoryofthefloating
windturbine,thecouplingeffectofoffshoreaerodynamicloadandwaveloadisanalyzed,the
totalstrengthofthefloatingplatformstructureunderthecombinedactionofwindandwaveis
analyzed,andthestrengthdistributionlawofthefloatingbodywi