引文格式：

背景简介

海上风力发电机（OWT）的疲劳损伤通常由长期的风浪载荷引起，因此需要进行疲劳寿命分析以确保OWT的运行性能。本研究在非高斯风场与波浪耦合作用下，对考虑全向风流入的OWT进行了疲劳损伤评估和疲劳寿命预测。根据Kaimal谱，使用OpenFAST在高斯风场、软化非高斯风场和硬化非高斯风场三种类型的风场中评估力和弯矩。OWT的动态响应通过ABAQUS建立的三维有限元模型（FEM）来实现。评估了不同荷载组合下 OWT 塔基段和桩的疲劳寿命。结果表明，裂纹萌生寿命受非高斯风场影响较为显著，而裂纹扩展寿命的影响较小，全向风流入时OWT的疲劳寿命大约是单向风流入时的3倍。 OWT设计建议在非高斯风场中考虑全向风流入。

成果介绍

本研究分析了风浪耦合载荷作用下OWT单桩的疲劳寿命。在硬化非高斯风场、高斯风场和软化非高斯风场三种风场下，研究了单向和全向风流入下的疲劳寿命，以及OWT 塔基和桩柱截面上的裂纹萌生寿命和裂纹扩展寿命。风速在每个工况下都有对应的三个风场，其中（偏度，峰度）分别为（0, 2）、（0, 3）和（0, 5），代表硬化非高斯风场、高斯风场和软化非高斯风场。如图1所示为本研究的流程，图2为本文的有限元模型。

图1 本研究的流程图

图2 OWT系统的有限元模型

（1）本研究分析了不同年平均风速下塔基的疲劳寿命。图 3 显示了不同载荷组合下塔基的疲劳寿命随年平均风速的变化情况，包括裂纹萌生阶段（a）和裂纹扩展阶段（b）。无论风场如何，两个阶段的疲劳寿命都随着年平均风速的增加而减少。例如，当平均风速从5 m/s增加到10 m/s时，疲劳裂纹萌生阶段的寿命减少了95%，而裂纹扩展阶段的疲劳寿命减少了86.4%。这可能归因于风速越大，引发的疲劳损伤越明显。考虑到非高斯风场和波浪载荷，不同风场的裂纹萌生寿命相差约 7%。考虑到风荷载和波浪荷载的耦合效应，高斯风场的裂纹萌生寿命高于软化非高斯风场，低于硬化非高斯风场。裂纹扩展寿命一般为裂纹萌生寿命的 2-3%，而各风场之间的差异很小（小于1%）。

图3 塔基的疲劳寿命

（2）如图 4 所示为 2008年位于2037901号站点的海上风电机组塔基的疲劳损伤（a）和总疲劳寿命（b）。在硬化非高斯风场中，塔基的疲劳寿命比在高斯风场中高大约6%~7%；而在软化非高斯风场中，疲劳寿命比高斯风场中低 5%~6%。而塔基各热点峰度变化的三条曲线之间的差异相对稳定。通常，OWT的疲劳寿命在非高斯风场中会发生变化。硬化非高斯分布是指峰度值在0到3之间的分布类型，而软化非高斯分布的峰度值大于3，软化非高斯分布的情况在实际应用中较为常见。随着峰度的增加，疲劳损伤也会增加，相应的疲劳寿命也会缩短。因此，建议在OWT的设计过程中预留一定的安全裕度，以应对风场的软化和非高斯性质。

图4    2008年2037901站点全向风流入下的（a）疲劳损伤；（b）疲劳寿命

（3）图 5 分别描绘了(a) 36 m、(b) 20 m、(c) 4 m、(d) 10 m深度全向风流入下桩疲劳寿命极坐标图。结果表明，无论深度如何，覆盖面积随着风场峰度的减小而增加，表明疲劳寿命最长。与单向风流下的趋势类似，泥线面（20 m）以下疲劳寿命迅速增加，在泥线面处观察到最小的疲劳寿命，而在36 m深度处疲劳寿命超过1000年。另外，由于连接处应力集中，塔基的疲劳寿命也相对较小，软化非高斯风场中桩的疲劳寿命比高斯风场中低约5%~6%。此外，考虑到全向风流入，桩的疲劳寿命得到延长。

图5    (a) 36 m、(b) 20 m、(c) 4 m、(d) 10 m深度全向风流入下桩的疲劳寿命。

致谢

感谢国家自然科学基金（基金号：51578145）提供的支持。本文通讯作者：Yongxin Wu（Key Laboratory of Ministry of Education for Geomechanics and Embankment Engineering, Hohai University, No. 1, Xiang Road, Nanjing, 210098, China）。

本期小编：石　韬（整理）

王永杰（校对）

程　航（审核）

王永杰（发布）