0 引　言

随着世界经济的持续增长，能源需求不断攀升，这促使海上风电项目逐渐向深远海区域进军。相较于传统的固定式基础，浮式基础在面对深水域复杂多变的海洋环境时展现出更强的适应性，其中半潜式浮式平台因其独特的设计，具备安装过程灵活简便、建设费用相对低廉以及后期维护可达性良好等优点，在实际工程的应用中更为广泛^[1]。而随着风机“大容量”发展态势显著^[2]，需对基础结构进行优化，保障其在恶劣海况下安全稳定运行，满足长期稳定性要求。同时，深入探究半潜式浮式风机在波浪、风、海流等动态荷载下的稳性和动力特性，对推动海上风电技术的发展尤为关键。

半潜式浮式平台属于大尺度结构，可以通过增大浮筒间距、直径等方式进行主尺度优化，以提高稳性性能^[3]。胡缤纷^[4]通过Matlab软件对三浮筒半潜式基础进行了浮筒分舱优化，在保证平台破舱稳性的前提下最小化浮筒分舱数，从而简化基础结构设计方法。宋兆波^[5]提出了倾斜立柱式钢筋混凝土半潜浮式风机平台，从结构动力响应和强度分析考虑了新型结构的运动性能。而浮式风机的垂荡响应对风机发电性能的影响较为严重，在结构优化时应着重考虑垂荡运动响应的相关影响因素^[6]。丁红岩等^[7]、张浦阳等^[8]针对大容量风机发展和深远海复杂海洋环境研发了新型全潜式张力腿浮式基础，乐丛欢等^[9]分析了全潜式张力腿浮式基础的拖航性能，验证了新型浮式结构的可行性。Faraggiana等^[10]通过Salome-Meca、Nemoh和Simscape等多个模块相结合，提出了一种用于浮式平台结构优化的工具，在确保平台运动性能的同时最大限度降低结构成本。已有众多学者从耦合分析方法^[11]、高阶动态响应^[12]和联合环境荷载作用下的运动性能^{[13 − 15]}等方面对半潜式浮式风机的运动响应进行了大量研究。

此前的研究在半潜式浮式基础的设计理论和动力分析方法方面取得了一定的成果，但仍存在一些亟待解决的问题。结构优化过程中往往难以同时兼顾多个相互制约的性能目标，导致优化结果不够理想；在动力特性研究中，对于复杂海洋环境下的非线性因素考虑不够全面，影响了动力响应预测的准确性。因此，本文旨在综合运用理论分析、数值模拟和实验研究等方法，对海上风电半潜式浮式基础展开深入的结构优化与动力特性研究，以期为其工程应用提供更坚实的理论基础和技术支持，推动海上风电产业朝着更加高效、安全、经济的方向发展，助力全球能源结构的绿色转型。

1 模型优化设计及参数 1.1 浮式平台优化设计

三立柱浮式平台由侧立柱、甲板梁和下部浮箱组成，见图1。本文针对浮式平台的关键结构参数进行了主尺度优化设计，旨在提升平台的整体稳性。以 Inocean 和 Equinor 联合设计的三立柱式浮式平台作为母型平台，围绕侧立柱的直径、高度和中心距、浮箱及甲板梁高度和宽度，进行尺度放大，形成不同尺寸型式的优化方案。采用SESAM软件对各优化方案的水动力特性进行数值模拟，重点分析垂荡和纵摇这2个关键运动响应指标，通过对比不同设计方案在相同环境条件下的运动性能，筛选出具有最优稳性表现的浮式平台结构。原型和优化平台参数见表1。

1.2 风机系统及参数

采用WINDMOOR 12MW风机作为上部风机系统，风机参数见表2，结合半潜式浮式平台和系泊系统共同构建半潜式浮式风机一体化耦合模型。

2 模型构建 2.1 环境荷载理论

在运用HydroD进行水动力计算时，半潜式浮式风机基础中浮筒及浮箱受到的荷载通常由三维势流理论计算，计算公式如下：

$ F\mathrm{_{wave}}=F_{\mathrm{excite}}+F_{\mathrm{radiation}}+F_{\mathrm{hydrostatic}}。$

(1)

式中：$ F_{\mathrm{wave}} $为浮体所受波浪荷载；$ F_{\mathrm{excite}} $为波浪激励力；$ F_{\mathrm{radiation}} $为辐射阻尼力；$ F_{\mathrm{hydrostatic}} $为静水恢复力。

在Sima软件中进行半潜式浮式风机一体化耦合计算时，作用在风机上的荷载包括叶片和塔筒受到的风荷载这两部分，塔筒上的风荷载采用莫里森方程进行计算：

$ {F_{\rm{wind}}} = {F_D} + {F_I}，$

(2)

$ {F_D} = \frac{1}{2}{C_D}{\rho _a}A{v^2}，$

(3)

$ F_I=C_M\rho_aV\frac{\mathrm{d}v}{\mathrm{d}t}。$

(4)

式中：$ F\mathrm{_{wind}} $为作用在风机塔筒上的风荷载；$ {F_D} $为风阻力；$ {C_D} $为阻力系数；$ {\rho _a} $为空气密度；$ A $为受风构件的正投影面积；$v$为风速；$ {F_I} $为惯性力；$ {C_M} $为质量系数；$ V $为受力体积；$ \mathrm{d}v/\mathrm{d}t $为风速变化率。

风机叶片所受风荷载采用叶素-动量理论进行计算：

$ F=\int_0^R\left(\frac{1}{2}\rho_aW^2C_Lc\mathrm{d}r\right)。$

(5)

式中：$ F $为风机叶片所受风荷载；$ R $为叶片最大半径；$ W $为相对风速；$ {C_L} $为升力系数，风的流动产生升力，在叶片形成力矩而转动，升力是叶片主要受力来源；$ c $为叶片弦长；$ \mathrm{d}r $为微小半径段。

2.2 模型试验

根据优化后的半潜式浮式平台设计试验模型，基于弗劳德数和斯特劳哈尔数相似准则，设计模型缩尺比为1∶70，模型材料采用有机玻璃，试验模型及模型尺寸见图2。对半潜式浮式风机开展不规则波试验，采用传感器测量不同环境工况下浮式风机的各自由度响应和系泊缆张力，对浮式风机运动响应特性进行分析，试验水深设为0.714 m（原型为50 m）。

2.3 数值模拟

通过SESAM软件构建数值模型，在GeniE模块中构建半潜式平台模型，形成FEM文件导入HydroD模块，基于三维势流理论进行频域内水动力参数计算，将结果文件G1.SIF导入到Sima中，与上部风机结构和下部系泊系统形成半潜式浮式风机一体化耦合模型，根据DNV规范要求^[17]，设计相关数值模拟工况，采用JONSWAP波谱，荷载作用方向见图3。

3 结果分析 3.1 数值模拟结果验证

将优化后的半潜式浮式风机同一工况下模型试验和数值模拟结果进行对比分析，如图4所示。可以看出，优化后的半潜式浮式基础的运动响应与试验数据对比吻合良好，证明了优化方案的可行性，能够进行后续运动性能相关分析。

3.2 平台运动性能对比分析

在控制环境工况一致的前提下，本研究对比了3个不规则波工况下原型三立柱式浮式平台与优化后浮式平台的动力特性。各工况环境参数详见表1，所有环境风浪流方向均设定为0°方向。选取平台运动响应及平台系泊力作为对比分析的关键指标，其中平台运动响应部分特别关注半潜式平台运动较为剧烈的3个自由度方向，即平台的纵荡、垂荡和纵摇运动。模拟计算总时长设定为3000 s，为排除瞬态响应的影响，前1500 s的结果将被舍去，以有义波高6.4 m，谱峰周期10.7 s，风速8 m/s，流速0.3 m/s，水深100 m工况为例，绘制前300 s的数据如图5所示。

由图可知，优化浮式平台在控制平台纵荡、垂荡、纵摇等运动响应以及平台系泊力方面均显著优于原型浮式平台。各工况下原型浮式平台与优化浮式平台的平台运动响应（纵荡、垂荡和纵摇）及平台系泊力1（迎浪方向）的统计箱线图对比如图6所示。

进一步的统计箱线图对比分析显示，在相同环境工况下，原型浮式平台与优化浮式平台的纵荡、垂荡平衡位置基本相同，而优化浮式平台的纵摇平衡角度相较于原型平台降低了约46%。同时优化浮式平台的纵荡、垂荡运动幅度也显著降低，纵荡、垂荡运动幅值最大分别降低了26.2%和46.0%，纵摇运动幅度相近。优化浮式平台迎浪侧平均系泊力与原型相近且均有降低，但系泊力波动幅度以及峰值均有显著降低，其中平台迎浪侧系泊力峰值相较于原型平台降低了12.8%。

半潜式平台的垂荡响应控制一直是浮式风机平台研究的重点，本研究设计的优化浮式平台，在风机-平台-系泊系统一体化耦合下能有效地控制整体结构的纵荡、垂荡和纵摇等运动响应，同时提高系泊系统的安全性。造成这种差异的原因可能是优化浮式平台的吃水深度更大，较大的吃水可以有效减小垂荡等运动响应的振幅，提高整体系统的稳定性，两者尺寸大小和压载水布置深度不同等。

3.3 优化平台运动特性分析

在实际工程中，选定海域的实际海况要复杂得多，利用数值方法分析不同荷载下的平台响应有助于提前预报平台的运动，探究平台影响平台运动的因素，从而避免事故的发生。本研究结合实际海况，对优化后浮式平台在不同水深、不规则波、风速和海流流速等环境因素下，进行风浪流联合作用下的风机-平台-系泊系统一体化耦合的时域仿真模拟，各工况环境参数详见表3，所有环境风浪流方向均设定为0°方向。选取平台运动响应及平台系泊力作为对比分析的关键指标，特别关注半潜式平台运动较为剧烈的3个自由度方向，即平台的纵荡、垂荡和纵摇运动。模拟计算总时长设定为3000 s，为排除瞬态响应的影响，舍弃前1500 s的结果。

3.3.1 水深对半潜式浮式风机运动特性的影响

未来深远海区域预计将主导漂浮风电市场份额，深远海区域因其风力更强、更稳定，且没有障碍物阻挡风的路径，从而增加了捕获风能的潜力。相较于张力腿、立柱式等其他型式，半潜式漂浮式风机对不同水深环境的适应能力更强，对海底环境的要求低。目前漂浮式风电的水深主要集中在超过50 m的深水海域，针对本研究的优化浮式平台设计50、100、150 m等3种水深条件，同时控制波浪、风速、流速等其他环境工况相同，研究水深因素对该优化半潜式漂浮式风机的平台运动响应以及平台系泊力的影响。各工况绘制前300 s的数据如图7所示，并绘制各工况下优化浮式平台的平台运动响应（纵荡、垂荡和纵摇）及平台系泊力1（迎浪方向）的统计箱线图如图8所示。

可以看出，随着环境水深的减小，系泊缆绳平躺段比例增大，悬垂段减短。此时系泊系统水平刚度较高，在浮式平台受风浪流扰动时，系泊缆容易进入快速张紧-回复的状态，缆绳系泊力会出现较大的波动，同时与环境荷载同向的平台的纵摇、纵荡运动响应的幅度也会明显增加。

3.3.2 波浪对半潜式浮式风机运动特性的影响

针对优化浮式风机平台设计波高4.2～10.2 m不规则波浪条件，控制水深、风速、流速等其他环境条件相同，研究波浪因素对该优化半潜式漂浮式风机的平台运动响应以及平台系泊力的影响。各工况绘制前300 s的数据如图9所示，绘制各工况下优化浮式平台的平台运动响应（纵荡、垂荡和纵摇）及平台系泊力1（迎浪方向）的统计箱线图如图10所示。

在不同波浪条件下，优化浮式平台的垂荡、纵摇平衡位置基本相同，纵荡平衡位置以及平台迎浪侧平均系泊力随着波浪波长增加稍有增大，而平台所有运动响应以及系泊力的变化幅值均显著提高。然而，在极端波浪环境下，优化浮式平台对结构运动响应仍展现出了较好的控制效果，其中WA4工况10.2 m波高环境下，优化浮式风机平台的垂荡和纵摇运动分别能控制在3.9 m和5.7°之内，这表明该平台设计能够有效应对极端波浪条件，确保漂浮式风机运行的稳定性和安全性。

3.3.3 风速对半潜式浮式风机运动特性的影响

根据上部WINDMOOR 12 MW漂浮式风机的切入、额定、切出风速参数，设计4、10.6、25 m/s等3种风速环境，控制水深、波浪、流速等其他环境条件相同，研究风机切入、额定、切出风速下该优化半潜式漂浮式风机的平台运动响应以及平台系泊力的响应情况。各工况绘制前300 s的数据如图11所示，绘制各工况下优化浮式平台的平台运动响应（纵荡、垂荡和纵摇）及平台系泊力1（迎浪方向）的统计箱线图如图12所示。

在低风速WS1工况下，浮式风机平台的运动响应较小，而在WS2额定工况下，风机轮毂处的推力增大，使得平台在迎风方向上的纵荡和纵摇运动更加剧烈，但风速对平台垂荡方向的运动并没有产生太大影响。同时额定风速下平台迎风侧的系泊力明显增大，峰值系泊力为308.4 t。风机在高风速下运行时，当风速大于额定风速后，为防止风机转速以及推力过大对机舱及叶片损坏，风机将会采取变桨控制，调节桨叶的节距角，改变气流对桨叶的攻角，进而控制风机桨叶捕获的气动转矩和气动功率，以减小风机轮毂处所受水平推力，来保证风机的正常工作状态。因此在WS3切出风速工况下，平台的运动响应和系泊力相较于额定工况均有较为明显的降低。

3.3.4 流速对半潜式浮式风机运动特性的影响

为充分考虑水面以下海流因素的影响，针对该优化浮式平台设计流速0.1～0.7 m/s等4种工况，控制水深、波浪、风速等其他环境条件相同，研究海流因素对该优化半潜式风机平台的运动响应以及平台系泊力的影响。各工况绘制前300 s的数据如图13所示，绘制各工况下优化浮式平台的平台运动响应（纵荡、垂荡和纵摇）及平台系泊力1（迎浪方向）的统计箱线图如图14所示。

可以看出，随着0°方向海流流速的线性增大，优化浮式风机平台的纵荡运动以及平台迎流侧的系泊力呈现出近似线性且较为明显的增大趋势，而平台的垂荡、纵摇响应对于海流作用并不敏感，相反平台纵摇响应有近似线性的小幅度减小，原因可能是海流作用于浮式平台产生了纵摇方向上的复原力矩。

4 结　语

1）本文研究设计的优化浮式平台能够有效控制整体结构的运动响应，增强系泊系统的安全性。在相同的环境条件下，相比于原型浮式平台，该平台在纵摇平衡角度上降低了约46%，同时纵荡、垂荡运动幅值最大分别降低了26.2%和46.0%。此外，该平台的迎浪侧平均系泊力与原型平台相近但有所降低，系泊力的波动幅度和峰值也得到了显著降低。

2）该优化浮式风机平台在50 m浅水环境下，平台的纵荡、纵摇响应以及系泊力波动显著增加，而垂荡响应减缓。随着水深增加，平台的运动响应和系泊力得到了有效控制，显示出了良好的深水适应性。

3）在不同波浪条件下，优化平台的运动平衡位置基本相同，但运动响应和系泊力的变化幅值显著提高。在极端波浪环境下，优化浮式平台仍能有效控制结构运动响应，确保风机的稳定和安全运行。

4）风速对优化平台垂荡方向的运动影响很小，但对纵荡和纵摇方向的运动影响显著，尤其在额定风速下，而高风速下风机的变桨控制可减小平台运动响应和系泊力。

5）海流流速的增加主要影响优化半潜平台的纵荡运动和迎流侧系泊力，数据显示出了较强的线性相关性，而对垂荡和纵摇响应影响较小，相反纵摇响应有近似线性的小幅减小。