Research on the Structural Strength of Floating Offshore Wind Turbine Platform Based on Long and Short Term Design Waves

doi:10.12141/j.issn.1000-565X.240165

Abstract

Abstract:

Stability and safety of floating wind turbine platforms in deep and distant sea environments are the core issues of floating offshore wind turbine systems. This paper analyzed the effects of multiple load control parameters on the design wave parameters under extreme wave loads by numerical simulation based on two design wave methods of long and short-term, and evaluated the structural strength of the floating offshore wind turbine platform using different design wave methods. The results show that: the traditional load control parameters of mid-longitudinal profile, mid-transverse profile and waterline plane cannot accurately capture the most dangerous loading conditions suffered by the floating offshore wind turbine platform, and the structural strength analysis of the floating offshore wind turbine platform also needs to take into account the stress concentration phenomenon at different structural connection locations, and thus needs to consider the influence of more load control parameters on the structural strength; the long term statistical design wave method can reflect the complexity of the marine environment more comprehensively, and can obtain the structural strength of the floating offshore wind turbine platform using different design wave methods. The long-term statistical design wave method can more comprehensively reflect the complexity of the marine environment and obtain the design wave parameters of the floating offshore wind turbine platform in the most dangerous state, while the short-term design wave method has the advantage of quickly assessing the structural strength of extreme wave conditions. The two can be used in conjunction with each other in accordance with the different design stages of the floating offshore wind turbine platform. The search for the most dangerous working conditions through the design wave method can not be compared with only the height of the wave parameters in the design.Calculation results show that the maximum stress obtained from two different design wave methods does not necessarily correspond to the highest wave height. This indicates that the wave height alone cannot determine the most critical condition. A comprehensive analysis of factors such as wave height, wave period, wave direction, and phase is required to assess their impact on structural strength. These findings are of significant importance for the structural design and safety evaluation of floating wind turbine platforms.

Key words: floating offshore wind turbine, structural strength, long-term design wave, short-term design wave

CLC Number:

U663.2

LI Ping, WANG Hongbo, CHEN Chaohe. Research on the Structural Strength of Floating Offshore Wind Turbine Platform Based on Long and Short Term Design Waves[J]. Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition), 2025, 53(2): 92-106.

Figures/Tables 27

Fig.1

Table 1

Fig.2

Fig.3

Fig.4

Fig.5

Table 2

Table 3

Table 4

Fig.6

Fig.7

Table 5

Table 6

Cross-section loads selected for design waves"

剖面载荷名称	物理意义
f $S 1011 1)$ /MN	x方向分离力
f_S1012/MN	y方向剪切力
f_S1013/MN	z方向剪切力
M $S 1014 2)$ /（MN·m）	绕x轴扭矩
M_S1015/（MN·m）	绕y轴弯矩
f_S2011/MN	x方向剪切力
f_S2012/MN	y方向分离力
f_S2013/MN	z方向剪切力
M_S2014/（MN·m）	绕x轴弯矩
M_S2015/（MN·m）	绕y轴扭矩
f_S3011/MN	x方向剪切力
f_S3012/MN	y方向剪切力
f_S3013/MN	z方向分离力
M_S3014/（MN·m）	绕x轴弯矩
M_S3015/（MN·m）	绕y轴弯矩

Table 6

Fig.8

Fig.9

Table 7

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Table 9

Fig.10

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Fig.11

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Fig.12

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Fig.13

Fig.14

Fig.15

References 27

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有义波高/m	概率
有义波高/m	3.5^1）	4^1）	5^1）	6^1）	7^1）	8^1）	9^1）	10^1）	11^1）
0~0.50	0.001	0.010	0.029	0.029	0.015	0.005	0.001	—	—
0.50~0.85	—	0.008	0.031	0.037	0.021	0.008	0.002	—	—
0.85~1.25	—	0.007	0.034	0.050	0.033	0.013	0.004	0.001	—
1.25~1.85	—	0.005	0.037	0.072	0.057	0.025	0.008	0.002	—
1.85~2.50	—	0.001	0.019	0.055	0.057	0.03	0.010	0.002	—
2.50~3.25	—	—	0.007	0.032	0.046	0.031	0.012	0.003	0.001
3.25~4.00	—	—	0.001	0.011	0.024	0.022	0.010	0.003	0.001
4.00~5.00	—	—	—	0.002	0.012	0.017	0.010	0.003	0.001
5.00~6.00	—	—	—	—	0.002	0.006	0.006	0.002	0.001
6.00~7.50	—	—	—	—	—	0.002	0.003	0.002	0.001
7.50~9.00	—	—	—	—	—	—	0.001	0.001	—

浮式风机平台参数	数值
立柱直径/m	15.0
立柱高度/m	31.0
下浮箱宽/m	10.0
下浮箱高/m	4.0
立柱中心距离/m	61.0
横撑宽/m	3.5
横撑高/m	3.5
排水量/t	14 176.1

风机参数	数值
额定功率/MW	12.0
风机转子直径/m	216.9
轮毂直径/m	5.0
叶片长度/m	105.4
轮毂高度/m	131.7
切入、额定、切出风速/（m·s^-1）	4.0、10.6、25.0
单个叶片质量/kg	63 024
轮毂质量/kg	60 000
机舱质量/kg	600 000

位置	线位移约束			角位移约束
位置	δ_x	δ_y	δ_z	θ_x	θ_y	θ_z
s_p1	—	—	固定	—	—	—
s_p2	固定	固定	固定	—	—	—
s_p3	固定	—	固定	—	—	—

参数	数值
波浪谱	Pierson-Moscowitz（PM）谱^［4］
波浪散布图	中国南海S₄海域^［14］
设计水深/m	300
浪向/（°）	0°~360°，间隔为30°
波浪周期/s	3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19、20、21、22、23、24、26、28、30