Abstract This study proposed a new retrofit solution using bolted connections for in-service offshore wind turbines (OWTs) with monopile foundation via a finite element analysis-based optimization approach. The monopile foundation 5 MW OWT provided by National Renewable Energy Laboratory (NREL) was selected for this study. The transition zone of the monopile OWT subjected to wind and wave loadings, the grout connection of the tower to the monopile, was specifically simulated with three different models using the ANSYS software. The three models included a plain model resembling the installed monopile, a shear key model considering the Det Norske Veritas (DNV) updated design, and a retrofit model incorporating the plain model with the bolted connection installed. Numerical results of three different transition models were compared to determine the efficacy of the proposed retrofit solution. Along with the numerical results, the proposed retrofit bolted connection was optimized through implementation of response surface methodology (RSM) with six input parameters (e.g., bolt diameter) and three outputs (e.g., fatigue life). With the RSM data, the desirability function was employed on three different runs, in an attempt to obtain the most optimal retrofit bolted connection for the monopile OWT. A key finding indicated the optimized configuration of the bolted connection with high strength bolts of 0.036 m diameter to be installed in eight columns and five rows exceeded the required fatigue life.

中文翻译：

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在役单桩基础海上风电机组过渡区优化改造设计

摘要 本研究通过基于有限元分析的优化方法，为具有单桩基础的在役海上风力涡轮机 (OWT) 提出了一种使用螺栓连接的新改造解决方案。本研究选择了由国家可再生能源实验室 (NREL) 提供的单桩基础 5 MW OWT。承受风和波浪载荷的单桩 OWT 的过渡区，塔与单桩的灌浆连接，使用 ANSYS 软件通过三种不同的模型进行了专门模拟。这三个模型包括一个类似于安装的单桩的平面模型、一个考虑到挪威船级社 (DNV) 更新设计的剪切键模型，以及一个包含安装了螺栓连接的平面模型的改造模型。比较了三种不同转换模型的数值结果，以确定所提出的改造解决方案的功效。与数值结果一起，通过实施响应面方法 (RSM) 来优化建议的改装螺栓连接，该方法具有六个输入参数（例如螺栓直径）和三个输出参数（例如疲劳寿命）。通过 RSM 数据，在三个不同的运行中采用了合意性函数，试图为单桩 OWT 获得最佳的改装螺栓连接。一项关键发现表明，采用直径为 0.036 m 的高强度螺栓安装在八列五行的螺栓连接的优化配置超过了所需的疲劳寿命。通过使用六个输入参数（例如螺栓直径）和三个输出参数（例如疲劳寿命）的响应面方法 (RSM) 来优化提议的改装螺栓连接。通过 RSM 数据，在三个不同的运行中采用了合意性函数，试图为单桩 OWT 获得最佳的改装螺栓连接。一项关键发现表明，采用直径为 0.036 m 的高强度螺栓安装在八列五行的螺栓连接的优化配置超过了所需的疲劳寿命。通过使用六个输入参数（例如螺栓直径）和三个输出参数（例如疲劳寿命）的响应面方法 (RSM) 来优化提议的改装螺栓连接。通过 RSM 数据，在三个不同的运行中采用了合意性函数，试图为单桩 OWT 获得最佳的改装螺栓连接。一项关键发现表明，采用直径为 0.036 m 的高强度螺栓安装在八列五行的螺栓连接的优化配置超过了所需的疲劳寿命。试图为单桩 OWT 获得最佳的改装螺栓连接。一项关键发现表明，采用直径为 0.036 m 的高强度螺栓安装在八列五行的螺栓连接的优化配置超过了所需的疲劳寿命。试图为单桩 OWT 获得最佳的改装螺栓连接。一项关键发现表明，采用直径为 0.036 m 的高强度螺栓安装在八列五行的螺栓连接的优化配置超过了所需的疲劳寿命。