吸力基础支撑式一体化海洋光伏系统拖航稳定性

张雨坤; 王春龙; 李大勇; 蓝艺超

doi:10.12404/j.issn.1671-1815.2505742

科学技术与工程 ›› 2026, Vol. 26 ›› Issue (19) :8209-8221 DOI: 10.12404/j.issn.1671-1815.2505742

武器技术

吸力基础支撑式一体化海洋光伏系统拖航稳定性

张雨坤 ¹ ,
王春龙 ¹ ,
李大勇 ¹^,²^,^* ,
蓝艺超 ¹^,³

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Towing Stability of Innovative Integrated Offshore Photovoltaic System

ZHANG Yu-kun ¹ ,
WANG Chun-long ¹ ,
LI Da-yong ¹^,²^,^* ,
LAN Yi-chao ¹^,³

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摘要

海洋光伏具有不占用土地面积、发电效率更高和扩容能力强等优点,发展海洋光伏是实现“双碳”目标的重要途径。研发了一体化海洋光伏系统-吸力基础支撑式一体化海洋光伏系统。该结构首先在陆地工厂进行一体化组装,然后通过运输船运送到指定海域。在拖航过程中,其安全稳定性受到船体运动的影响。采用SACS数值模拟软件,进行一体化海洋光伏系统拖航稳定性研究,模拟拖航过程中船体运动对一体化系统结构形变与构件强度特性的影响。结果表明,在拖航过程中的结构变形方面,正常拖航时结构节点偏移量处于较低水平,横荡、纵荡、垂荡方向最大位移占比分别仅为0.96%、1.7%和0.5%,可显示出结构在常规拖航条件下的稳定性。然而,在极端拖航运动工况下,一体化海洋光伏系统最大节点偏移量受多维度船体运动作用明显,横荡方向增长39.6%、纵荡方向增长15.4%、垂荡方向增长12.2%,这明确表明极端拖航速度会对结构稳定性产生极大的负面影响。因此一体化海洋光伏系统在拖航过程中应避免出现极端拖航运动速度以提高结构整体的稳定性和安全性。

Abstract

Offshore photovoltaic has the advantages of not occupying land area, higher power generation efficiency and strong capacity expansion, etc. The development of offshore photovoltaic is an important way to achieve the “double carbon” goal. A integrated offshore photovoltaic system-suction foundation supported integrated offshore photovoltaic system was developed. The structure is first assembled in one piece at a land-based factory and then transported to the designated sea area via a transport vessel. During the towing process, its safety and stability are affected by the movement of the ship. A numerical simulation study on the towing stability of the integrated offshore photovoltaic system was conducted using the SACS software, aiming to simulate the influence of hull motion during towing on the structural deformation and component strength characteristics of the integrated system. The results show that, in terms of structural deformation during towing, the structural node offsets are at a low level during normal towing, and the maximum displacements in the transverse, longitudinal, and vertical directions account for only 0.96%, 1.7%, and 0.5%, respectively, which can show the stability of the structure under conventional towing conditions. However, under extreme towing maneuvering conditions, the maximum nodal offset of the integrated marine PV system is significantly affected by the multi-dimensional hull motion, with an increase of 39.6% in the transverse-swing direction, 15.4% in the longitudinal-swing direction, and 12.2% in the pendant-swing direction, which clearly demonstrates that extreme towing speeds can have a great negative impact on the structural stability. Therefore, the integrated offshore photovoltaic system should avoid extreme towing speeds during the towing process to improve the overall stability and safety of the structure.

Graphical abstract

关键词

海洋光伏 / 一体化系统 / 拖航性能 / 数值模拟 / 拖航稳定性

Key words

offshore photovoltaic / integrated system / towing capability / numerical simulation / towing stability

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张雨坤, 王春龙, 李大勇, 蓝艺超. 吸力基础支撑式一体化海洋光伏系统拖航稳定性[J]. 科学技术与工程, 2026, 26(19): 8209-8221 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505742

ZHANG Yu-kun, WANG Chun-long, LI Da-yong, LAN Yi-chao. Towing Stability of Innovative Integrated Offshore Photovoltaic System[J]. Science Technology and Engineering, 2026, 26(19): 8209-8221 DOI:10.12404/j.issn.1671-1815.2505742

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在全球积极应对气候变化、加速能源转型的大背景下,海洋光伏作为新兴的可再生能源开发模式,其发展前景极为广阔。据测算,中国可安装海洋光伏的装机规模超70 GW,加之海洋光伏开发多集中于东南沿海负荷中心区域,市场潜力巨大,未来有望成为中国光伏市场的关键支柱^[1]。目前,制约海洋光伏发展的一个重要因素是高昂的基础工程建设费用、复杂的海上作业施工工序以及较长的海上作业时间^[2-3]。为了提升海洋光伏的施工效率,降低海上作业施工成本,提出了一种一体化海洋光伏系统-吸力基础支撑式一体化海洋光伏系统^[4]。一体化海洋光伏系统主要由支架、光伏组件、立柱以及吸力基础等核心组件构成。与传统桩基固定式光伏系统相比,所提出的一体化海洋光伏系统理念的核心是采用吸力基础作为其基础形式,这样便可实现陆地装配。相比于传统桩基,其具有安装便捷、可重复使用和成本效益高等优势^[5-6]。并且可广泛用于锚固漂浮式油气开采平台和海上风电塔架等海工结构^[7-8]。一体化海洋光伏系统可以在保证承载力达到设计值的情况下,在自重及上部结构重力作用下即可实现完全自重贯入,无需吸力沉贯施工^[9]。

对于一体化海洋光伏系统,在运输过程中要应对拖航挑战,否则会影响整个海洋光伏项目的顺利实施。因此,需要开展一体化海洋光伏系统的拖航稳定性研究,具有理论价值与现实意义。

一体化海洋光伏系统的运输船在航行过程中会产生横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡等6种运动形式。这些运动相互耦合,对新型一体化海洋光伏系统施加复杂多变的作用力,可能导致结构发生位移、变形,甚至引发结构强度破坏等严重问题^[10-12]。例如,横摇运动会导致结构各部分承受不均匀的荷载^[13]。纵摇运动使结构沿船舶纵向产生上下起伏的运动,反复的纵摇可能导致连接件松动,降低结构的整体刚性^[14]。首摇运动则使船舶产生绕垂直轴的旋转,导致一体化海洋光伏系统的方位发生改变^[15]。因此,要对运输船引起的位移和强度变化进行严格评估与监控,防止因船舶晃动或超载等问题对一体化结构造成损坏。

近年来,中国深远海光伏开发逐渐兴起。创新一体化海洋光伏系统对于控制光伏建设成本,降低海上建设工期具有重要意义。对于一体化光伏系统,其拖航稳定性直接决定施工安全与成本控制。当前中国该领域的发展现状,集中体现在少量示范项目落地、理论模拟与试验研究并行推进、技术创新突破瓶颈等方面。开展拖航稳定性分析,对保障施工安全、推动技术标准化、降低项目成本等多方面意义重大,是支撑中国海上光伏产业向深远海规模化发展的关键环节。

目前,中外学者针对拖航结构的变形、强度及稳定性问题,开展了一系列模型试验、数值模拟和理论分析相结合的研究。黄绍幸等^[16]通过模型试验探究单柱复合筒型基础的浮运特性,研究拖缆点位置与吃水深度对其产生的影响。发现拖航作业时,合理的拖缆点位置和适宜的吃水深度是影响浮运的关键因素。陈卓锐等^[17]基于浮式基础结构尺寸规格与性能参数进行平台动力学特性分析及拖航转运分析,确定了拖航工况下最大张力和最佳拖航缆长度。付升雷等^[18]通过水池模型试验,研究了风浪联合作用下三立柱半潜浮式风机的拖航动力及运动特性,建议在实际拖航中合理选择拖航速度,为半潜浮式风机的海上拖航作业提供了重要的试验数据和技术支持。Hyland等^[19]的模型试验研究显示,拖航速度和浪高对张力腿型式的浮式风机拖航稳性和阻力的影响较为明显。张浦阳等^[20]利用有限元对海上风电单柱复合筒型基础拖航性能进行建模和数值模拟,显示该基础虽整体拖航性能良好,但受波浪和浮运条件影响明显,因而需规避不利条件,可通过调整系缆点、吃水以及拖航速度等方式来提升其稳定性。练继建等^[21]基于有限元软件ABAQUS定量分析了复合筒型基础浮运过程中允许压差与基础外吃水、分舱板厚度、基础直径、内舱压强值等参数变化的影响,当允许压差最大值确定时,可以根据实际工程需要选取基础各变化参数安全组合中的最优解。刘旭东等^[22]通过数值模拟研究三筒导管架基础的拖航性能,分析波高、波浪周期、波浪方向等多种因素对拖航稳定性的影响及结构垂荡速度、纵摇角等关键参数对拖航过程的动力响应。翟秋等^[23]构建拖轮-缆绳-沉箱系统的拖带动力学模型,模拟分析沉箱在风浪流综合作用下的拖航稳定性、耐波性能、自由漂浮响应特性、缆绳张力以及运动响应幅度等情况。滕丽霞等^[24]针对全潜式浮式风机的拖航过程,设置了6组海况进行模拟,研究波浪高度和波浪周期两种因素对浮式风机拖航性能的影响,为实际拖航提供技术指导。

Strandhagen等^[25]基于线性理论研究拖航系统,发现通过改变拖缆点的位置和拖缆的长度可使拖航系统具有更好的稳定性。骆阳等^[26]基于非线性势流理论,以装载SUBOFF(DARPA SUBOFF的一种潜艇模型)模型潜艇的浮船坞为对象,开展频域和时域运动响应分析,并对横向系固结构进行设计和校核,为特殊非自航设备海上坞拖作业提供一定指导。张涛等^[27]基于耦合时域分析理论和势流理论,通过半潜平台-拖缆-拖船耦合动力学模型,对相同波浪环境和拖航速度下不同的海流速度和流向角对半潜平台拖航运动响应及拖缆张力的影响进行分析。Chakrabarti^[28]提出一种基于气浮圆筒独特性质的创新重力式基础结构拖运方案,通过深入的理论探讨与缩尺模型试验,评估气浮结构在下水过程中的稳定性,证实了这一新型浮运技术的有效性。Collu等^[29]研究了正常和恶劣环境下浮式风机拖航的静稳性。

通过软件SACS对海洋结构进行分析,研究横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡6种船体运动数值模拟工况对一体化海洋光伏系统在海上拖航过程中的结构变形及杆件强度特性影响,这有助于提高一体化海洋光伏系统的整体安全性能。研究成果可为海洋光伏建设领域及工程设计提供借鉴。

1 海洋结构建模

1.1 船体相关水动力参数

目前针对吸力基础支撑式一体化海洋光伏系统的研究较少,工程建设多围绕桩基支撑式光伏系统。2025年12月,全球最大的开放式海上光伏东营国华HG14海上光伏项目930个光伏平台主体顺利完工^[30]。2025年5月,中广核烟台招远400 MW海上光伏项目(HG30)实现全容量并网发电,是中国首个桩基固定式海上光伏项目^[31]。2025年2月,山东潍坊外海及周边区域的海洋光伏项目二期1 040 MW光伏发电项目开工,项目建成后,年发电18.3亿kW·h^[32]。2025年7月,中国石化青岛炼化全海水环境漂浮式光伏项目建成投用,该项目装机容量7.5 MW,采用漂浮式光伏结构,这是中国首个实现工业运行的全海水环境漂浮式光伏项目^[33]。基于中外对桩基的研究实例,建模边界与参数如下:使用海平面作为水平面,考虑6自由度刚体运动;拖航速度为v=2~4 knots(1 knot = 1.852 km/h);平均吃水深度估算为 1.5~2.0 m(考虑吸力锚体积与结构重心);波浪周期范围为8~14 s。拖航作业应满足相关安全要求^[34],桩基设计应符合《建筑桩基技术规范》^[35]。

1.1.1 阻力参数

基于ITTC-1957摩擦阻力公式及经验数据,拖航过程中的总阻力可近似估算为

(1)C_F=$\frac{0.075}{{(\mathrm{l}\mathrm{g}\mathit{R}\mathit{e}-2)}^{2}}$, Re=$\frac{\mathit{v}\mathit{L}}{\mathit{\nu }}$

式(1)中:v为航行速率;L为船长;ν为海水动力黏度。

以L=47.7 m,v=2 kn=1.03 m/s,海水动力黏度ν =1.19×10^-6 m²/s,估算得:雷诺数Re=4.13×10⁷; 摩擦阻力系数C_F=0.001 89;阻力R_{T =}0.5ρV²SC_T=5.1~7.8 kN(其中ρ为海水密度,V为拖航速度,C_T为总阻力系数;S为结构湿表面积,约估算为1 800~2 200 m²)。

1.1.2 附加质量矩阵(估算代表值)

为准确表征一体化海洋光伏结构在拖航与海上作业过程中的惯性水动力效应,采用等效浮体假设对结构六自由度附加质量进行估算,如表1所示。

1.1.3 水动力导数估算

用于描述结构在拖航过程中的稳态稳定性,基于海洋工程浮体水动力理论对关键水动力导数进行取值估算,如表2所示。

1.2 模型构建方法

一体化海洋光伏系统服役期间,长期受到风、浪、流、冰复杂荷载作用,海洋环境与动力荷载条件恶劣。研究多维度海洋环境耦合作用时,通常采用模型试验和数值分析方法。

开展模型试验时,对于风载荷模拟,通常选择雷诺数为基准进行相似准则确定,可以保证黏性力和惯性力的正确关系;而对于水动力载荷的模拟,通常选择Froude数为基准进行模拟,以保证重力和惯性力的正确关系。但当两种流体介质的共同作用下,无法同时满足Froude数和雷诺数相等。此外,大比尺模型试验或者原型试验存在成本高昂、周期漫长、参数调整灵活性差等短板。

为了弥补模型试验比尺效应的影响,学者开发了数值分析方法,研究复杂环境荷载作用下海工结构响应。数值模拟结果的精度取决于物理建模合理性、数值方法适配性、网格质量可靠性、参数校准准确性、边界与初始条件科学性及计算设置规范性,核心取决于对真实物理机制(如多场耦合效应、湍流特性)的描述贴合度、方程的离散与求解精度、关键区域(如边界层、波面)的网格分辨率,以及参数、边界条件等输入的精准度。

因此,采用SACS海洋结构建模软件进行一体化海洋光伏系统的装船拖航动态模型构建。在模型构建过程中,考虑了结构的实际受力和约束情况,由于其承受静水压力、波浪冲击力、载荷及自身重力,可通过材料强化、结构形式优化和防腐与抗疲劳设计对结构下部进行有效加固。并且在结构端部施加横荡、纵荡、垂荡三向约束,这种约束方式能够模拟实际运输过程中结构与运输船的连接部位在不同方向上的限制作用,确保结构在拖航过程中的位置相对稳定。但在拖航系统分析中,忽略了拖缆建模。一是基于重点为拖航整体运动趋势时,拖缆的局部动态特性对全局分析影响较小,简化模型可快速获取初步结果;二是基于特定工况假设,若拖缆刚度极大(如钢质短拖缆)或拖曳速度低、载荷小,其变形与振动可忽略,此时可近似认为拖缆为刚性杆。

在一体化海洋光伏系统拖航过程中,运输系统的船舶受到风、浪、流等环境荷载共同作用,导致船体发生六自由度运动,进而造成固定于船体的一体化海洋光伏系统的稳定性受到影响。将风、浪、流荷载复杂流体动力作用简化为船体的六自由度运动,通过设置各种船体不利运动工况,反映海洋环境荷载作用。根据不同的运动形式和参数变化,设计了包括横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡等六种船体运动的27组数值模拟工况。在这些工况中,横摇角度、周期,纵摇角度、周期,首摇角度、周期以及横荡、纵荡、垂荡加速度系数等参数均进行了合理的取值和变化,涵盖了从正常航行状态到极端恶劣海况下的各种可能情况。例如,在正常工况下,横摇角度可能设置为5°,周期为10 s,而在极端工况下,横摇角度可能增大到8.5°甚至更大,周期也可能相应缩短,同时伴随着较大的加速度系数。通过对不同工况进行设置,能够系统地研究船体运动参数与结构性能之间的复杂关系,以便揭示结构在不同拖航条件下的力学行为。

如图1所示为吸力基础支撑式一体化海洋光伏系统示意图;如图2所示为一体化海洋光伏系统的装船拖航动态模型。在此模型中,我们在结构的尾端施加了三向约束。这样的建模方式,旨在全面探究船体运动参数(包括运动角度、周期及组合模式)对一体化海洋光伏系统性能的影响。更进一步地,遵循船体运动的组合逻辑,将实际航行中可能遭遇的各种不利船体运动状况进行了综合考虑与组合。在此基础上,深入分析了一体化海洋光伏系统在船体复杂运动共同作用下的拖航表现,进而采取措施以保障结构在拖航过程的安全稳定。船体运动正常工况及极端工况相关参考依据如表3所示,船体运动相关工况如表4所示。

简言之,正常工况基于常规作业边界,验证系统平稳性;极端工况基于极限风险场景,检验系统安全冗余,通过“单一/复合运动参数突破正常阈值”,覆盖拖航从日常到灾变的全场景验证需求。本研究是为探究船体运动参数对新型一体化海洋光伏系统性能的影响,在模型构建中根据不同的运动形式和参数变化,设计了27组数值模拟工况。分析了横摇角度、周期,纵摇角度、周期,首摇角度、周期以及横荡、纵荡、垂荡加速度等参数对一体化海洋光伏系统运动响应的影响。

1.3 模型参数确定

在构建模型时,确定选用4类主要尺寸的钢材作为一体化海洋光伏系统的材料。立柱采用长度×直径=7 000 mm×12 mm的圆形截面钢材,其尺寸设计能够满足立柱在支撑整个系统以及承受各种载荷时的强度和稳定性要求。光伏支架分别选用截面长边尺寸×短边尺寸×壁厚=100 mm×50 mm×10 mm的矩形钢材、截面长边尺寸×短边尺寸×壁厚=80 mm×40 mm×10 mm的矩形钢材以及宽度×厚度=40 mm×10 mm的扁钢3种规格的钢材,这些不同规格的钢材根据光伏支架在结构中的不同位置和受力特点进行合理配置,以实现结构的轻量化和高效性能。在海洋光伏一体化结构的铺设中,共使用了400块尺寸为长度×宽度=2 278 mm ×1 134 mm的光伏板,这些光伏板的布局和数量也是根据项目的发电需求和结构承载能力进行设计的。通过以上参数设定和材料选择,构建出的有限元模型能够反映实际结构的力学特性,为后续的模拟分析奠定基础。一体化海洋光伏系统有限元SACS模型共生成611个节点,1 397个杆件。吸力基础采用直径350 mm×长度6 000 mm的钢材杆件,杆件的杨氏模量为200 GPa,剪切模量为77.22 GPa,屈服强度为24.8 GPa,生成的有限元模型如图3所示,新型一体化海洋光伏系统上部支架及侧面结构如图4所示。

如表5、表6所示为一体化海洋光伏系统尺寸参数,其中一体化结构宽度为36.4 m,长度达47.7 m,高度为22.6 m,立柱横向间距26.7 m,纵向间距20.4 m,光伏板厚度0.05 m。该尺寸以山东省潍坊拟建一体化系统示范项目,考虑了结构在海洋环境中的功能需求和空间布局。

如表7所示为一体化海洋光伏系统的材料参数,在满足结构强度要求的前提下,兼顾了材料成本和结构整体性能的平衡。

2 计算结果及分析

2.1 一体化海洋光伏系统变形特性

2.1.1 正常拖航工况下一体化海洋光伏系统变形特性

正常拖航工况下的结构偏移变形云图如图5所示,可以更直观地了解结构的变形情况。在云图中,绿色线条清晰地代表了结构的初始自重状态,这是结构在未受到船体运动影响时的原始形态,为后续分析结构的变形提供了基准。红色线条则准确地展示了结构在正常拖航工况下的变形情况,通过颜色的深浅和变化趋势,可以直观地看出结构不同部位的位移大小和方向。当结构仅存在横摇维度的运动时,结构会产生明显的前后偏移。这是因为横摇运动使得结构绕其纵向轴发生转动,导致结构在前后方向上的位置发生改变。在工况C002中,设置纵摇角度为5°,纵摇周期为10 s,由于仅存在纵摇运动,结构会出现左右偏移,这是由于纵摇运动使结构绕横向轴转动,从而在左右方向上产生位移。而在工况C003中,设置首摇角度为5°,首摇周期为10 s,首摇运动使得结构发生转动偏移,其转动中心位于结构底部与运输船连接部位,转动方向和幅度取决于首摇角度和周期等参数。

在正常拖航运动的27种工况下,对一体化海洋光伏系统的节点偏移数据进行分析,从表8可得知一体化海洋光伏系统的偏移特性如下:在x方向上产生最大位移,是由于在该工况下,船体运动的组合方式使结构在x方向上受到的合力较大,导致节点发生相对较大的位移。通过对该工况下船体运动参数(如横摇、纵摇、横荡等运动的角度、周期和加速度系数)的分析,可以发现横摇和横荡运动在x方向上的叠加效应较为显著,使得结构在该方向上承受了较大的侧向力。在y方向上产生最大位移量主要是因为在该工况中,纵摇和横荡运动的协同作用在y方向上产生了较大的合力,致使节点在该方向上产生明显的偏移。而在z方向上产生最大位移量主要是由垂荡运动以及其他运动在垂直方向上的分量共同作用引起的。

进一步分析这些位移量与整体结构尺寸的比例关系可知,x向最大位移占整体结构宽度的0.96%, y向最大位移占整体结构长度的1.7%,z向最大位移占整体结构高度的0.5%。这些比例数值表明,在正常拖航运动状态下,尽管结构发生了一定程度的位移,但整体上仍处于相对安全和合理的范围。这得益于结构的合理设计和材料的有效选择,使得结构在承受正常拖航载荷时能够保持较好的稳定性。

当结构同时存在横摇、纵摇或首摇以及横荡两个方向的运动时,其结构的偏移量明显小于单一方向运动工况。这是因为在多维度运动组合情况下,不同方向的运动相互制约和抵消,使得结构在某些方向上的合力减小,从而降低了整体的偏移量。例如,结构同时存在横摇、横荡两个方向的运动时,横摇产生的侧向力在一定程度上被横荡运动在相反方向上的力所抵消,使得结构在x方向上的最终偏移量小于仅有横摇运动时的情况。还可以发现,随着新型一体化海洋光伏系统受到的运动维度组合越复杂,其结构反而表现出更加稳定的特性。这是由于在复杂运动组合下,结构的受力分布更加均匀,各个部位能够共同分担载荷,避免了局部应力集中和过大位移的产生。例如,结构同时受到横摇、纵摇、首摇、横荡、纵荡和垂荡6种运动的作用,虽然整体受力情况较为复杂,但由于各个方向的运动相互协调,使得结构的整体变形相对较小,稳定性得到增强。

2.1.2 极端拖航工况下一体化海洋光伏系统变形特性

如图6所示为新型一体化海洋光伏系统在极端拖航工况下的偏移变形云图。可以发现,与正常拖航工况相比,结构的偏移变形明显加剧,但整体变形仍保持在可接受的范围内,未出现严重的结构破坏或过度变形情况。当结构处于极端拖航工况并伴随横摇和纵荡两个维度的运动时,会产生较大的结构变形。这是由于横摇和纵荡运动在这几个工况下的参数组合使得结构在水平方向上受到的剪切力和弯矩较大,导致结构发生较大的弯曲和扭曲变形。通过对比运动工况可以看出,当结构受到纵摇维度船体运动的显著影响时,会出现明显的偏移和变形。这是因为纵摇运动改变了结构的重心位置和受力分布,使得结构在纵向方向上的稳定性受到较大挑战,容易产生较大的位移和变形。然而,还可以发现,在极端运动工况下,结构所受的多维度运动越复杂,其相对于其他极端拖航工况的稳定性反而越高。这是因为在复杂的多维度运动中,结构的各个部位能够更充分地参与受力和变形协调,使得应力分布更加均匀,从而在一定程度上提高了结构的整体稳定性。尽管如此,由于极端拖航工况下结构的变形和应力风险显著增加,仍需在实际拖航过程中严格避免出现过高的拖航速度,以确保结构的整体安全性。

如表9所示,在极端拖航运动工况下,一体化海洋光伏系统的变形情况发生了显著变化。通过对节点偏移数据的分析可知,E005和E007工况位移量相较于正常拖航工况增加了39.6%,达到了63.963、63.989 cm。这主要是因为在这些极端工况下,船体运动的幅度和加速度大幅增加,例如,横摇角度增大到8.5°,且横荡加速度系数达到0.2,使得结构在x方向上受到的惯性力和冲击力急剧增大,从而导致节点偏移量显著增加。当结构处于E009工况下,此时结构处于6个维度的船体运动中,产生的y向最大位移相比于正常运动工况增大了15.4%,达到73.652 cm。这是由于在多维度极端运动的叠加作用下,结构在y方向上受到的合力变得极为复杂且强大,各个方向的运动相互耦合,使得结构在该方向上的位移远超正常工况,更容易导致结构的偏移和不稳定。当结构经历横摇及横荡在E005工况下产生z向最大位移相比于正常运动工况增大了12.2%,达到12.774 cm。这是因为横摇和横荡运动在垂直方向上产生了较大的分力,同时垂荡运动也加剧了结构在z方向上的位移。综上所述,通过9个极端拖航工况的分析,可以发现一体化海洋光伏系统在极端拖航运动工况下的最大节点偏移量受多维度船体运动的影响显著。因此,在拖航过程中,应避免出现过高的拖航速度,以提高结构的整体安全性。

2.2 一体化海洋光伏系统强度特性

2.2.1 轴向应力分布分析

如图7所示为一体化海洋光伏系统中各杆件的轴向应力分布情况,从而可以进一步评估结构的稳定性。从整体上看,大多数杆件的轴向应力保持在30 N/mm² 以下的较低水平,这表明结构在大部分区域处于较为安全稳定的状态。这取决于结构的合理布局和材料的均匀受力特性,使得杆件在承受拖航过程中的各种载荷时能够有效地分散应力。

然而,尤其是立柱周围的支架梁上,轴向应力显著升高,甚至达到了70 N/mm²。在拖航过程中,这些区域的高应力现象较为突出。这是由于立柱作为主要的承重部件,在船体运动时会受到较大的惯性力和弯矩作用,而支架梁与立柱相连,需要承受来自立柱的传递力以及自身在船体运动中的受力。例如,当运输船发生横摇或纵摇时,立柱会产生较大的侧向位移和转动趋势,这使得支架梁在连接部位承受较大的拉力和弯矩,从而导致轴向应力急剧增加。

高轴向应力可能意味着这些支架梁在承受较大荷载时,更容易接近或达到其屈服极限,一旦超过屈服极限,支架梁将发生塑性变形,进而严重威胁到整体结构的安全性和稳定性。因此,针对这一发现,必须采取积极有效的应对措施。考虑到支架梁在结构中的关键作用以及其所承受的高应力水平,建议通过增加杆件的尺寸和厚度来增强其承载能力。增加尺寸可以增大杆件的截面惯性矩,使其能够更好地抵抗弯曲变形;加厚材料则可以直接提高杆件的强度和刚度,降低应力水平。或者选择屈服强度更高的钢材来替换现有钢材,这样可以从材料性能上提升支架梁的承载极限,使其在高应力环境下仍能保持良好的力学性能。通过这些措施的实施,可以有效地提升支架梁的屈服强度,从而确保结构在拖航过程中的整体稳定性和安全性。

2.2.2 杆件应力UC值分析

如表10所示为一体化海洋光伏系统部分单元杆件的联合UC值与实际应力值。UC值,即实际应力与许用应力之比,是评估一体化海洋光伏系统各杆件强度的重要参数。在本文研究中,采用通用海洋工程结构规范组合来确定这些UC值,该规范综合考虑了多种海洋工程实际情况和材料性能因素。

若UC<1,如正常拖航的C017工况下1110-1310L1杆件(UC=0.158),表明其实际应力在许用范围内,结构强度达标且稳定,这得益于设计时对杆件尺寸和材料强度的合理设计,使其在常规受力时有充足安全余量。当UC=1时,杆件实际应力达许用极限,处于临界承载状态。虽然结构暂时无恙,但长期或复杂受力下,微小变动就可能使应力超限引发问题,工程中需密切关注。若UC>1,像极端拖航工况E005中的部分杆件,意味着实际应力超出许用值,结构强度不满足要求,杆件可能变形、屈服或断裂,严重威胁结构安全。此时需采取增大杆件尺寸、加厚材料或更换高强钢材等加固措施来保障安全。

一体化海洋光伏系统的单元杆件在拖航工况中,其最大UC值主要集中在极端拖航工况。单元杆件2607-0120L3的UC值达到0.771,单元杆件2610-2910L3的UC值为0.511等。这是因为在极端拖航条件下,船体运动的剧烈程度大幅增加,结构所承受的惯性力、冲击力和弯矩等载荷也急剧增大,导致杆件的实际应力迅速上升,从而使得UC值相应增大。同时,在正常拖航运动工况中也有部分杆件出现较大的UC值。单元杆件3009-3010L2的UC值达到1.012。这表明即使在正常拖航情况下,某些特定位置或受力较为复杂的杆件也可能面临较大的应力挑战。

在大部分情况下,这些杆件的最大应力UC值均小于1,这意味着结构强度能够满足设计要求,整体结构处于安全状态。这得益于结构的合理设计和材料的合理选用,使得杆件在正常和大部分拖航工况下能够承受所施加的载荷而不发生过度变形或破坏。然而,在少数情况下,部分杆件的最大UC值略高于1。例如,单元杆件1102-1103L2的UC值达到1.084,这表明这些杆件在极端工况下已接近或超出其许用应力范围,结构存在一定的安全隐患。针对此类情况,可采取多种有效的优化措施来确保UC值回落到安全范围内。一种方法是增大杆件的尺寸,通过增加杆件的横截面积来提高其承载能力,从而降低实际应力与许用应力的比值。另一种方法是加厚材料,选择更厚的钢材或其他高强度材料,增强杆件的强度和刚度。此外,还可以选用更高强度的钢材来替换原有的材料,从根本上提高杆件的承载性能。通过这些优化措施的综合应用,可以有效地提高结构的整体强度和安全性,确保新型一体化海洋光伏系统在拖航过程中的可靠性。

3 结论

针对一体化海洋光伏系统-吸力基础支撑式一体化海洋光伏系统的拖航性能展开深入探究,得出以下关键结论。

(1)正常拖航时结构节点偏移量处于较低水平,x、y、z向最大位移占比分别仅为0.96%、1.7%和0.5%,充分显示出结构在常规拖航条件下的稳定性。然而,极端拖航工况下节点偏移量显著增加,x向增长39.6%、y向增长15.4%、z向增长12.2%,这明确表明极端拖航速度会对结构稳定性产生极大的负面影响,因此在实际拖航操作中必须严格避免。

(2)从结构强度角度,大部分单元杆件在拖航工况下的最大应力UC<1,整体结构强度基本满足要求。但在极端工况中,少数杆件的UC值略高于1,同时立柱周边支架梁在拖航时会承受较大轴向应力,导致船体运动的剧烈程度大幅增加,杆件的实际应力迅速上升,从而使UC值相应增大。因此,针对这些局部杆件,应采取增大尺寸、加厚材料或选用高强度钢材等措施进行强化,以保障结构在拖航过程中的安全稳定。

(3)大多数杆件的轴向应力保持在30 N/mm² 以下的较低水平,表明结构在大部分区域处于较为安全稳定的状态。然而,尤其是立柱周围的支架梁上,轴向应力显著升高,甚至达到了70 N/mm²。在拖航过程中,这些区域的高应力现象较为突出。这会严重威胁到整体结构的安全性和稳定性。因此,针对这一发现,必须采取积极有效的应对措施。

(4)一体化海洋光伏系统在实际装船拖航运动过程中往往与船体自身的吃水深度以及海上的波浪荷载有密切关系。未来需要深入研究一体化海洋光伏系统在装船拖航运动过程中的水动力特性,以进一步贴近实际拖航运动情况。考虑船体与一体化海洋光伏系统的流固耦合作用,建立更精确的水动力模型,分析波浪荷载在不同频率和波高下对一体化海洋光伏系统的动态响应。同时,研究系统在水流作用下的阻力、升力和附加质量等水动力系数的变化规律,为一体化海洋光伏系统的拖航稳定性分析提供更准确的参数。

未来,将开展大型水槽及水池试验、大比尺基础抗拔试验、材料力学试验、基础-土体界面剪切试验及流固耦合数值分析,揭示“风、浪、流、冰”荷载作用下一体化光伏系统失效机制,阐明考虑基础土体界面演化的光伏系统吸力基础抗拔渐进破坏失稳特性,阐明“上部结构-锚固基础-海洋土体”作用机理。

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基金资助

国家自然科学基金(52471289)

国家自然科学基金(52371301)

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2025-08-04	2026-07-08	2025-12-16
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2026-08-06

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