随着全球对清洁能源需求的增加，风力涡轮机已逐渐从陆地发展到海上，从固定式发展为浮动式[1,2]。侧装半潜式浮动海上风力涡轮机（FOWT）因其优异的稳定性和水动力特性以及便捷的安装和维护方式，成为风力发电领域中最受欢迎的形式之一[3,4]。如图1所示，2020年完成的葡萄牙WindFloat Atlantic项目、2021年建立的苏格兰Kincardine风电场以及2021年和2022年分别投入使用的中国“银岭”和“富尧”都是侧装半潜式FOWT的典型代表[5,6]。然而，风力涡轮机的振动问题，尤其是叶片的空气弹性问题，仍然是FOWTs面临的主要难题，这些问题会严重影响整个系统的运行安全和服务寿命[7,8]。
偏航失准是风力涡轮机振动的主要原因之一。风向的突然变化、尾流对风速计精度的影响、偏航系统的故障或响应延迟都会导致风力涡轮机的偏航失准[[9], [10], [11]]。当发生偏航失准时，叶片的攻角会发生变化，导致空气动力升力和阻力的波动，从而引起叶片振动[12,13]。许多学者研究了由偏航失准引起的风力涡轮机的空气弹性问题。蔡等人[14]使用CFD方法研究了偏航来流下风力涡轮机的空气弹性和尾流特性，发现随着偏航失准角的增加，叶片的载荷波动会加剧。戴等人[15]发现叶片的变形受到方位角的影响很大，在风力涡轮机处于偏航来流条件下，当方位角为90°时变形最大。李等人和柯等人的研究表明，偏航来流会减少静态变形，但会加剧叶片的动态响应。何等人[18]优化了风力涡轮机的偏航控制器，有效减少了由偏航来流引起的疲劳载荷。Santo等人[19]指出，5°的偏航失准角可以减少叶片的空气弹性变形。然而，随着偏航失准角的增加，叶片的空气动力阻尼会降低[20,21]。当偏航失准角处于特定范围时，会出现动态失速现象[22]，这可能导致叶片剧烈振动，即发生失速诱导振动（SIV）[23,24]。
SIV是一种空气弹性不稳定性现象[25,26]，在某些文献中也被称为颤振或失速颤振[27,28]。当风力涡轮机叶片的攻角处于失速区域时，会发生流动分离，导致空气动力升力突然下降。如果升力系数曲线的斜率低于某个值，叶片的空气动力阻尼会变为负值，从而发生SIV[29,30]。陈等人[24]研究了风力涡轮机转子在怠速状态下的SIV特性，并提出通过调整叶片的俯仰角可以有效抑制SIV，这一结论通过现场实验得到了验证。贾等人[31]通过风洞实验研究了风力涡轮机机翼的空气弹性稳定性，发现SIV的临界风速与预设的攻角呈线性关系。Tripathi等人[32]还设计了一个具有两个自由度的机翼截面风洞实验，发现SIV的发生会导致俯仰模式和俯仰-振幅模式之间的相位同步。Serafeim等人的研究表明，通过改变叶片的襟翼方向和边缘方向模式之间的耦合程度可以抑制风力涡轮机的SIV。此外，通过在风力涡轮机叶片上合理设计调谐振动吸收器[34]或涡流发生器[35]，也可以抑制SIV的振幅并提高临界风速。然而，现有关于SIV的文献主要集中在单个叶片或陆基风力涡轮机上，而对FOWTs的SIV研究仍然较少。
台风作为西北太平洋（大西洋和东北太平洋称为飓风）的强烈热带气旋，由于其极端的风速、高随机性和风向的突然变化，已成为FOWTs不可避免的威胁[36,37]。目前已有许多关于台风损坏风电场的事故报告[[38], [39], [40]]，表明塔架倒塌和叶片断裂是主要的损坏形式。许多学者从结构振动[41,42]、空气动力载荷[43,44]、平台运动[45,46]和系泊张力[47,48]的角度研究了台风条件下风力涡轮机的动态特性。然而，当前的研究主要集中在台风随机性引起的风力涡轮机动态响应上，而对台风高风速引起的FOWTs SIV的研究仍然有限。此外，在台风条件下存在偏航失准时，巨大的推力会导致侧装FOWTs受到明显的偏航力矩，如图2所示，这可能会使风力涡轮机更容易发生SIV，而这一问题在之前的研究中尚未被注意到。
总体而言，FOWTs的SIV特性仍有待进一步研究，同时应考虑台风引起的平台偏航运动对SIV的影响。受上述事实的启发，建立了考虑偏航风作用的停放半潜式FOWT的空气弹性动态模型，并分析了考虑平台偏航运动的FOWT的SIV特性。具体来说，利用有限元方法（FEM）和哈密顿原理建立了FOWT的运动方程，通过准静态方法获得了空气动力载荷和系泊载荷。应用牛顿-拉夫森迭代方法计算了偏航风作用下平台的偏航角，并通过水池实验进行了验证。通过求解特征值问题，计算了FOWT在不同偏角下的空气阻尼比。比较了两种停放策略下FOWT的SIV范围，并分析了风力涡轮机的安装位置和系泊系统布置对FOWT空气弹性稳定性的影响。
本研究的新颖性和贡献可总结如下：提出了一种理论模型，用于评估不同风条件下FOWTs的空气弹性稳定性。通过新颖的方案分析了偏航风引起的平台偏航运动，并通过水池实验进行了验证，有助于更方便地探索偏航风条件下FOWTs的SIV特性。
本文的结构如下：第2节建立了FOWT的运动方程，给出了空气阻尼和系泊载荷的推导过程，以及偏航风作用下平台偏航角求解的详细步骤。第3节验证了理论方法的正确性。第4节分析了考虑平台偏航运动的FOWT的空气弹性稳定性，并讨论了不同停放策略、风力涡轮机的安装位置和系泊系统布置对SIV特性的影响。最后在第5节得出了主要结论。
