海上風力機遭受風浪流的共同作用，此外葉輪轉動引起的氣動載荷也作用在風機基礎結構上，會引起基礎結構疲勞損傷，因此綜合考慮風力機基礎結構受到的多種載荷，分析風力機基礎結構的疲勞，歷來受到重視。目前我國對于近海風力機基礎結構的疲勞損傷分析，主要是針對海上固定單樁風力機。劉勝祥等針對固定混凝土樁支撐結構，考慮確定性波浪及風載荷作用，采用Miner累積損傷準則計算疲勞壽命，但研究中僅計入風的阻力載荷，不考慮葉輪轉動引起的氣動載荷。我國船級社(CCS)2013年發(fā)布了《海洋工程結構物疲勞強度評估指南》，給出了波浪載荷引起的疲勞計算方法，包括頻域譜疲勞和時域疲勞計算方法。盛振國等針對固定基礎風機結構，將不同風、浪、流載荷在時域內疊加，計算綜合載荷引起的結構熱點應力，基于Miner累積損傷準則求疲勞壽命，但是氣動載荷引起的應力分布是否為韋伯分布仍待研究。王濱等針對三腳架基礎結構，基于譜分析方法計算疲勞損傷，結論認為波浪引起的結構疲勞損傷占87%，分析中沒有計入氣動載荷。劉暢和李良碧針對近海固定風機單樁式支撐結構，采用譜疲勞分析法進行疲勞損傷分析。方通通等運用FAST軟件計算氣動力和波浪力，與SACS接口，計算綜合載荷作用下固定基礎結構的疲勞損傷。近海風力機固定基礎結構疲勞分析的方法比較成熟，基本方法包括譜分析方法和時域分析方法。我國對于近海浮式風力機的研究近幾年才開始，浮式風力機基礎結構疲勞損傷研究還不夠深入。

近海浮式風力機結構疲勞分析一般是考慮基礎與塔柱的連接部位，這是浮式風力機結構的熱點應力區(qū)，是疲勞分析需要考慮的關鍵結構區(qū)域。浮式風力機結構疲勞分析難度遠大于固定基礎結構風力機，因為浮式基礎結構包括系泊系統(tǒng)，整個風力機系統(tǒng)處于大幅運動之中，水動力載荷和運動耦合分析是結構疲勞分析面臨的復雜問題。陶海成針對浮式風力機半潛式基礎，考慮波浪散布圖計算基礎結構的應力，基于全概率譜疲勞分析方法對“熱點”區(qū)域進行了疲勞強度計算。方龍等分析了海上三浮體式風機的基礎結構中風機支撐結構的疲勞壽命，考慮波浪和風載荷共同作用，基于Miner線性累積損傷準則計算結構在各工況下的疲勞損傷，但沒有考慮葉輪轉動引起的氣動載荷。李浩然等針對Spar型浮式基礎風力機，考慮風、浪及氣動力作用，根據不同海況風浪聯(lián)合分布概率，基于Miner線性累積損傷準則計算塔架底部短期疲勞損傷。Kim等引入神經網絡方法，提出了用于降低疲勞計算工作量的簡化方法。桑松等針對半潛式浮式風力機基礎，基于SESAM和FAST軟件，計算結構疲勞損傷。

浮式風力機疲勞分析，由于時域計算工作量巨大，目前的研究工作主要基于頻域譜疲勞分析方法，或者基于半頻域加半時域方法，計算過程一般僅考慮波浪和風的拖曳力。關于葉片轉動引起的氣動力對于疲勞損傷的影響，如何簡化氣動力疲勞損傷的計算，目前尚缺乏研究。這里結合淺水10 MW風力機，計算環(huán)境載荷引起的疲勞，并提出簡化的風力機氣動力損傷分析方法，研究氣動力對于浮式基礎結構的損傷，評估氣動力對于浮式基礎結構疲勞損傷的影響。

基本結論

基于譜疲勞計算方法計算分析半潛式大功率浮式風力機的波浪載荷引起的損傷，提出一種簡化方法計算氣動力引起的損傷。比較了兩種載荷引起的疲勞損傷結果，主要結論如下：

1) 半潛式三立柱風力機基礎結構，波浪載荷引起的浮式風力機損傷嚴重部位主要在基礎結構箱型體垂直板材與水平板交接點，此處由于應力集中導致了應力值較大，為疲勞損傷的關鍵部位。

2) 文中半潛三立柱浮式風力機，葉片轉速受變槳器控制，氣動力增加受限，波浪載荷引起基礎結構應力遠大于氣動力引起的基礎結構應力。

3) 文中半潛三立柱浮式風力機基礎結構損傷主要是由波浪載荷引起，氣動力引起的浮式基礎結構的損傷為10-3量級，而波浪載荷引起的損傷為10-1量級。

本文引用格式：馮士倫, 楊虎, 唐友剛, 等. 波浪載荷及氣動力引起的半潛浮式風機疲勞損傷分析[J]. 海洋工程, 2022, 40(5): 19-27. (FENG Shilun, YANG Hu, TANG Yougang, et al. Fatigue damage of semi-submersible floating wind turbine caused by wave load and aerodynamic forces[J]. The Ocean Engineering, 2022, 40(5): 19-27. (in Chinese))作者簡介：馮士倫(1975—)，男，河北辛集人，副教授，主要從事海洋結構與土相互作用和海洋風力機結構疲勞等方面的研究。E-mail: shilunfeng@tju.edu.cn