引言风能以资源丰富、分布广泛、安全无污染等特点成为新能源之一[1]。相比开发地域受限的陆上风能，海上风能更具明显优势。如我国南海地区，大部分区域的风能密度在100 W/m2以上，风能资源较为丰富[2]。海上风机一般可分为固定式风机和浮式风机，浮式风机主要包括半潜式、张力腿平台式、单柱式。随着水深的增加，固定式风机在经济成本、结构强度等方面无法满足风电开发的需要，而浮式风机因结构稳定、适用性广等特点发展潜力巨大。Barrera[3]等选取某半潜式浮式风机，在实际海况下，研究不同定义的波浪参数对系泊系统荷载的影响。Lee[4]等提出了一种分析评估半潜式浮式风机的疲劳损伤方法，简化了疲劳荷载循环计算，通过水动力结构相互作用分析计算疲劳分析的应力范围。陈嘉豪[5]等分析了影响半潜式浮式风机平台艏摇运动的一系列重要因素及其变化规律，发现风机艏摇运动加剧了平台耦合运动响应，影响了风机的气动性能和加剧锚泊张力波动。张洪建[6]等基于OC4-DeepCwind半潜式平台，研究缆索数量、缆索连接点高度与锚固点位置对平台运动响应的影响，提出一种优化系泊系统的新平台，并进行平台动力响应的分析。在工作运行中，风机不仅需要长期处在正常海况，而且需要面临海啸、台风等海况的侵袭。长时间运行使得平台锚链产生疲劳损耗，增加风机的运动响应。目前，众多学者对半潜式浮式风机的研究集中于实际荷载、疲劳损伤、运动响应、结构改进等方面，但对极端海况下风机的运动响应和系泊响应研究相对较少，缺少风机系统的综合性考虑和对比。文中以OC4-DeepCwind半潜式浮式风机为研究对象，利用ANSYS AQWA软件，通过时域耦合法，模拟不同海况下，风机受到波浪、风、流载荷的联合作用下的运动响应和系泊响应，包括锚链张力、卧链长度和六自由度运动响应，讨论极端海况对风机的影响。1数值模型1.1模型参数OC4-DeepCwind半潜式浮式风机为5 MW风力机模型。OC4-DeepCwind半潜式浮式风机及系泊系统如图1所示[7]。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F001图1OC4-DeepCwind半潜式浮式风机及系泊系统由图1(a)可知，OC4-DeepCwind半潜式浮式风机由风机机舱、塔架、浮式平台和锚链系统等4部分组成。平台主要参数为：塔架高77.6 m，塔底高（基准面以上）10 m，平台吃水深度为20 m，浮筒高度为26 m，浮筒直径为12 m，浮筒间距为50 m，中筒直径为6.5 m，压水桶直径为24 m，压水桶高度为6 m，横撑/斜撑直径为1.6 m，平台质量为1.3×107 kg，排水量为3.1×105 m3，平台重心垂向坐标（基准面以下）14.4 m等[8]。由图1(b)可知，风机的系泊系统由3根相同锚链组成，水平相邻夹角120°，锚点与海底之间呈悬链线构型。水深200 m，锚链长度835.5 m，锚链直径0.076 6 m，空气中单位系泊线质量为113.35 kg/m，锚链线轴向等效刚度为7.536×108 N，锚链破断力10 MN[8]。1.2计算模型利用ANSYS AQWA软件，建立OC4-DeepCwind半潜式浮式风机模型，风机所处水域的长与宽均为2 000 m、水深200 m。模拟计算时，发电机停止运行，风机的机翼无法转动，OC4-DeepCwind半潜式浮式风机的计算模型如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F002图2OC4-DeepCwind半潜式浮式风机的计算模型为模拟实际工作环境，讨论极端海况对风机的影响，从海洋环境的状况和锚链性能角度，分别计算风机的运动响应和系泊响应。选取正常状态环境状况和极端环境状况为计算工况。工况1：正常海况下，波高1.2 m，波峰周期4.5 s，采用API风谱，平均风速5 m/s，表面流速0.2 m/s，谱峰升高因子2.0；工况2：极端海况下，波高13.3 m，波峰周期15.5 s，采用API风谱，平均风速55 m/s，表面流速1.97 m/s，谱峰升高因子2.4。两种海况风浪流的作用方向相同，作用于锚链2的反方向[9-10]。由于风浪流联合作用在风机的对称轴上，且锚链1和锚链3相互对称，二者的动力响应极其相似，因此，取锚链1和锚链2进行风机锚链性能的具体分析。利用AQWA软件，进行风机的时域耦合计算，设定模拟时间10 800 s，时间步长0.1 s。为忽略瞬态效应，数值分析中不包括前1 800 s的模拟数据，仅在图像中给出1 800 s前的完整图像作为对比分析。其中，正常海况下对应的工况标记为工况1，极端环境海况下对应的工况标记为工况2。1.3模型验证Coulling[8]等通过对比实体模型和数值模型的运动响应，对风机数值模型的有效性进行验证。分别建立大小为实际尺寸1/50的风机实体模型和利用FAST软件构建的风机数值模型，考虑7种不同的规则波，规则波的浪高和周期参数如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.T001表1规则波的浪高和周期参数项目1234567波高/m0.963.793.573.795.155.375.56周期/s7.5012.1014.3020.0012.1014.3020.00通过实体模型试验和数值模型计算，得到风机在不同规则波下的纵荡、垂荡、纵摇运动响应，观察试验数据和模拟数据的吻合度，验证数值模型的有效性。利用ANSYS AQWA软件，计算构建的风机数值模型在同样条件下的结果，与文献[8]试验数据和模拟数据进行对比，不同组合下风机的运动响应幅值RAO对比分析如图3所示。由图3可知，模拟数据与文献[8]基本接近，且部分数据更贴合实体模型。图3不同组合下风机的运动响应幅值RAO对比分析10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F3a110.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F3a210.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F3a32计算结果及分析风机的运动响应和系泊响应主要包括锚链张力、卧链长度和六自由度运动响应。风机锚链张力的时间历程如图4所示。由图4可知，工况1下锚链1的张力均值为981.55 kN，是工况2下锚链1张力均值的1.12倍，相对最大值为1 013.01 kN，是工况2的0.79倍；工况1下锚链2的张力均值为1 001.46 kN，是工况2的0.58倍，相对最大值为1 075.54 kN，是工况2的0.2倍。海洋极端环境状况时，锚链张力的相对最大值为正常海况下的4.98倍，锚链1的均值减小，锚链2的均值增加，这是由于锚链2与风浪流联合作用的方向一致，承受较多荷载，导致锚链张力的变化不同。图4风机锚链张力的时间历程10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F4a1（a）锚链110.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F4a2（b）锚链2除锚链张力外，当锚链为悬链线结构时，卧链长度也是锚链性能的重要指标。卧链长度指的是锚链中接触海底部分的长度，即非悬挂部分。卧链长度越小，锚链所承受的荷载越大，原因在于当风机受到不断增大的位移牵引时，3根锚链会从海底提升，相应地增加锚链的悬挂长度，这个过程会在锚链上产生更多的张力，以此来抑制平台的纵荡和纵摇。不同海况下，风机卧链长度的时间历程如图5所示。图5风机卧链长度的时间历程10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F5a1（a）锚链110.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F5a2（b）锚链2由图5可知，工况1下锚链1的卧链长度平均值为261.88 m，是工况2的0.84倍，相对最小值为255.78 m，接近工况2的相对最小值256.18 m；工况1下锚链2的卧链长度平均值为255.64 m，是工况2的2.98倍，相对最小值为240.25 m，是工况2的57.07倍，仅为4.21 m。海洋处于极端环境状况时，锚链的卧链长度波动范围更大，锚链1的卧链长度均值增加，相对最小值略微增加；锚链2的卧链长度均值减小，相对最小值减小。不同海况下，风机的六自由度运动响应如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2022.06.005.F006图6六自由度运动响应由图6可知，工况2的纵荡位移相对最大值20.74 m，均值10.5 m，是工况1的33.87倍；工况1、工况2的垂荡位移均值-10.92 m、-10.96 m，工况2相对最大值-1.89 m和相对最小值-19.83 m，波动幅度大于工况1的-10.89 m到-10.96 m；工况1的纵摇方向旋转不超过0.1°，工况2的相对最大值3.77°和相对最小值-4.95°；横荡、横摇、艏摇方向上幅值变化较小，不足0.1°，较为平稳。说明在极端海况下，风机的纵荡、垂荡运动均有所增加，相对最大值分别为正常下的15.95倍、1.82倍，纵摇偏转从不足0.1°增加到4.95°。风机重心起始坐标为(0 m, 0 m, -10.29 m)，利用AQWA，得到重心平均坐标：正常海况(0.31 m, 0 m, -10.92 m)；极端海况(10.50 m, 0 m, -10.96 m)，依次为x、y、z方向，风机重心在风浪流联合作用方向上，发生了10.19 m偏移，其余方向上的位移偏移程度相对较小。3结语通过对OC4-DeepCwind半潜式浮式风机的运动响应和系泊响应分析，得到以下结论：（1）与正常海况相比，极端海况下风机锚链张力的波动范围明显增大，相对最大值为正常下的4.98倍，影响系泊系统的稳定性。（2）极端海况下，风机卧链长度的相对最小值为正常海况下的1.75%。（3）在极端海况下，风机的纵荡、垂荡运动均有所增加，相对最大值分别为正常下的15.95倍、1.82倍，纵摇偏转从不足0.1°增加到4.95°；横荡、横摇、艏摇方向上幅值变化较小，不足0.1°；风机重心在风浪流联合作用方向发生了10.19 m的偏移，影响风机的稳定性，干扰风机的正常运行。