Novel Modeling and Fatigue Analysis for Early-phase Design of a 15-MW FOWT

Abstract

I dag stilles det store forventninger til storskala og til ultraskala flytende havvindmøller på grunn av potensialet i høyere produksjonseffektivitet. Denne ideen er ønsket av det globale markedet, men begrenset av flere tekniske utfordringer. En av disse utfordringene er at underkonstruksjoner kan være sårbare for utmattingssvikt, som de analytiske metodene og verktøyene ikke er komplette nok til. Med motivasjonen for å utvide bruksscenarioet til for øyeblikket tilgjengelige verktøy, praktiseres en flerkroppsmodelleringsmetode i denne oppgaven.

Relevant input til flerkroppsmodellen er strengt kontrollert, og gir svært konsistent ytelse sammenlignet med den opprinnelige modellen med stiv flyte. Dette modelleringsskjemaet har potensial til å bli brukt til utmattelsesanalyse av flyterskrog. En tentativ studie av den dynamiske responsen på flyterskrog er utført. Selv om mangelen på seksjonsegenskaper oppstår, kan den beregnede dynamiske lasten fortsatt gi noen innsikt i videre studier. Den sentrale søylen og pongtongen er utsatt for dramatisk oscillerende belastninger. Utformingen av sentralsøylen og pongtongen bør være konservative for å unngå alvorlig tretthetssvikt. Resultatene indikerer også at responsen på steder nær sentralsøylen har likheter, sterkt påvirket av stampebevegelser, mens responsen til steder ved siden er assosiert med bølgebevegelser.

De fullt koplede tidsdomenesimuleringene med 383 utvalgte lasttilfeller fortsetter for å evaluere utmattingsytelsen ved tårnbasen, siden seksjonsegenskapen til denne plasseringen er bekreftet. Det skal bemerkes at analysen er konservativ, siden bare bølge og vind er på linje, og kommer fra 0 retning. I dette tilfellet er bøyeadferden foran og bak spesielt stor. Tretthetsskader øker generelt med brattere bølger og sterkere vind. De mest sannsynlige kombinasjonene av Hs og Tp under hver vindhastighet er funnet å være på gjennomsnittlig utmattelsesnivå ved gitt vindhastighet. Sjøtilstander under hver vindhastighet kan grupperes sammen med andre mest sannsynlige tilfeller ved den vindhastigheten. Tretthetsprediksjonen med 11 mest sannsynlige tilfeller av 383 tilfeller kan gi over 95\% nøyaktighet. Hvis analysen forenkles ytterligere ved bruk av regresjonstilnærming, kan 3 tilfeller begrense den relative feilen til 5\%.

Kort fortalt er hovedbidraget til dette oppgavearbeidet å gi innsikt i numerisk modellering av flyterskrog og regulariteter av utmattelsesskader versus miljøvariabler. Nyttig informasjon om responsen til en slik ultra-stor FOWT er gitt som referanse for design og optimalisering.

Nowadays, extensive expectation is given to large-scale and even ultra-scale floating offshore wind turbine (FOWT) due to its potential in higher production efficiency. This idea is desired by global market but constrained by multiple technical challenges. One of those challenges is that substructures can be vulnerable to fatigue failure, for which the analytical methods and tools are not consummate enough. With the motivation of extending the application scenario of currently-available tools, a multi-body modeling method is practiced in this thesis.

Relevant input to the multi-body model is strictly controlled, returning very consistent performance compared with that of the initial rigid-floater model. This modeling scheme has the potential of being applied to fatigue analysis of floater hull. A tentative study to the dynamic response on floater hull is conducted. Although there exits the deficiency in section properties, the calculated dynamic load can still provide some insights into further study. The central column and pontoon are subjected to dramatically- oscillatory loads. The design of central column and pontoon should be circumspect to avoid severe fatigue failure. The results also indicate that the response at locations close to central column has similarities, strongly affected by pitch motions, while response of locations at the side is associated with surge motions.

The fully-coupled time domain simulations with 383 selected load cases are proceeded to evaluate the fatigue performance at tower base, since the sectional property of this location is confirmed. It should be noted that the analysis is conservative, since only wave and wind are aligned, coming from 0 degree direction. In this case, the fore-aft bending behavior is dramatic. Fatigue damage generally increases towards steeper wave and stronger wind. The most probable combinations of Hs and Tp under each wind speed are found to be at average fatigue level at given wind speed. Cases under each wind speed can be lumped into the most probable case at that wind speed. The fatigue prediction using 11 most probable cases out of 383 cases can return over 95\% accuracy. If further simplifying the analysis using regression approach, 3 cases can limit the relative error into 5\%.

Briefly, the main contribution of this thesis work is to provide insights into numerical modeling of floater hull and regularities of fatigue damage versus environmental variables. Useful information regarding the response of such a ultra-large FOWT is given as a reference for design and optimization.