非零初始条件下海上浮式风电基础振动响应频域算法及试验研究

Dynamic analysis is a key and fundamental work for offshore floating wind turbines to judge its stability and make sure safe operation. Regular used time-domain method has high accuracy but sometimes unacceptable computational efficiency, and traditional is on the opposite, i.e., high efficiency but results form it are just steady state solution, and transient solution is eliminated because of the assumption of zero initial conditions. For high-rise structures such as offshore wind turbines, it is impossible that initial conditions keep zeros because of its slender tower and top of heavy turbine, which means traditional frequency-domain method can't be used anymore. Therefore, time-frequency analysis of unstable signals will be carried out to make clear the structure's dynamic performance firstly, then how to obtain the expression of environmental loads in the frequency without using the FFT will be studied, including the decomposition and reconstruction of any kind of loads. Next, the discretization method with same model order and resolution will be studied to solve motion equation of the structure, and then the application to monopile and jacket-type foundations will be studied, including the extension to floating offshore wind turbines and corresponding experimental works. Achievements will contribute to response estimation of offshore floating wind turbine with high accuracy and efficiency simultaneously.

浮式风电基础设计阶段，分析其动力响应以评判其稳定性是确保海上风机安全运行所必需的一项关键工作。时域方法虽计算精度高但计算效率相对较低，传统频域方法其结果仅为结构的稳态响应而无法得到结构的瞬态响应。浮式风电基础因其具有高耸的塔筒结构以致其初始条件不完全为零值，导致传统频域方法带来较大计算误差。故而，本项目拟开展浮式海上风电结构非稳定实测信号时频分析方法研究，以更准确掌握其动力行为；开展海洋环境荷载有限组分时域分解与重构方法研究，实现非零初始条件项在频域内的非FFT表达；开展海上风机荷载等阶次同分辨率离散方法研究，获得风机荷载与环境荷载的同分辨率离散与求解；研究其在单桩风电、导管架式风电结构中的应用问题并推广到海上浮式风电基础动力响应计算，开展必要的物理模型试验研究，为海上浮式风电基础动力响应分析提供一种更为准确且计算效率较高的频域计算新方法。

浮式风机由于其相对低廉的经济成本和较高的水深可适用性成为了目前海上风能开发的首选，但是由于目前研究中提出的各种具体浮式风机构型往往是为特定海域专门设计，而各海域之间海况条件千差万别，海况条件的差异导致浮式风机受到的环境载荷发生变化，进而其受载荷影响的运动响应随之发生变化。.在本项目的支持下，研究团队针对浮式风机基础的频域运动响应计算方法进行了较为系统的研究。针对非零初始条件这一核心问题，通过虚拟力的方式将非零初始条件影响下的浮体运动方程调整为带有附加阶跃荷载和冲击荷载的正规浮体运动方程。在这个方法的基础上，本项目进而模拟计算了一组不同构型的浮式风机基础在南海特输波浪谱影响下的运动相应。特别是在本项目获取的南海特殊波浪谱模型的支持下，利用非零初始条件频域计算方法对三种不同构型的浮式风机基础在南海工作海况和自存海况中的运动响应进行了数值模拟，获取了一系列有意义的成果。在此基础上，完成了一类浮式风机基础工程水池试验，试验测量得到的运动响应与频域计算模拟得到的结果进行了系统的对比研究。.研究表明,三类选定的浮式风机构型对来波方向均不敏感。通过对比三类浮式风机在给定南海工况的最大运动响应得知，OC3-Hywind Spar式风机的运动稳性最好，OC4-DeepCwind 半潜式浮式风机在相应的自存工况下则由于垂荡方向运动过大，并不适用于南海相关海域的作业。