自升风电安装船是海洋风电安装工程中的重要装备,摩擦绞车升降装置与桩腿、船体构成了自升安装船独立的升降系统。在升降装置的作用下,绞车提供牵引力完成放桩、升船等动作,由于海上作业过程中环境载荷的不确定性,导致作业过程绞车升降系统受附加工作载荷的影响,容易造成工作绞车的故障,给作业系统的安全、稳定运行带来巨大的隐患。本课题从海洋38#风电安装船的外部作用环境和实船绞车轴瓦失效出发,基于支撑桩腿、船体与海洋环境间的相互作用机理,提出并构建了包括船-桩-土-水相互作用的摩擦绞车一体化升降作业系统,并采用柔性体有限元仿真和刚体动力学仿真分析的方法,分析了绞车作业过程中的附加工作载荷,进一步研究了工作过程中绞车附加载荷与绞车滚筒支撑轴瓦失效的机理关系。首先,海上自升式风电安装船在作业过程中受到的附加工作载荷来源包括升船提桩等过程中受到的气液两相界面处附加载荷及压桩拔桩过程中桩土作用界面处附加载荷。本文在对海洋环境载荷分析的基础上,研究了海洋环境的数值模拟方法,建立了摩擦绞车升降系统与外部环境相互作用的一体化升降作业系统;研究了附加工作载荷在升降系统中的传递机理及绞车首绳端载荷在绞车滚筒间的力学传递机理,为进一步研究绞车附加工作载荷与轴瓦失效的机理关系奠定基础。其次,气液两相界面附加载荷受流体动力粘度、液面表面张力等因素影响,应用Fluent流体仿真计算的方法对摩擦绞车升降系统作业中的放桩、提桩、升船、降船过程进行分析,结果表明,绞车在升船、提桩等作业过程中船体、桩腿受到包括海洋环境载荷等水动力载荷在内较大的附加工作载荷的影响,并得到了船体、桩腿附加载荷的变化规律。再次,自升船坐底过程桩土作用界面附加载荷受土体粘聚力及弹性模量等因素影响,采用显示动力学仿真方法对绞车升降作业中压桩、拔桩过程附加载荷进行分析,得到了落底压桩及拔桩过程附加工作载荷的变化规律。仿真结果表明:低速落底压桩有利于减小冲击,保持附加载荷变化稳定;拔桩过程,附加载荷与土体粘聚力及桩腿埋置深度呈线性关系,与土体弹性模量之间呈非线性关系,随着弹性模量的增大,附加工作载荷存在极大值。最后,基于工作绞车首绳载荷的力学传递机理,得到了绞车首绳端张紧力、振动力振幅及频率与绞车轴瓦应力响应之间的机理关系;基于一体化升降系统附加载荷力学传递机理,得到了工作绞车升降作业过程中,绞车首绳端载荷的变化规律;依据首绳载荷的力学传递机理及首绳载荷的变化规律,分析了绞车升降作业附加工作载荷与绞车轴瓦失效的机理关系,结果表明:由于绞车作业过程附加工作载荷的作用,导致绞车张紧力过大,致使绞车模态发生变化,在随机振动力的作用下,绞车轴瓦处谐响应应力变大,导致轴瓦处总应力大于许用应力引起轴瓦失效。依据绞车轴瓦失效的机理对工作绞车结构优化:由线性刚度弹性元件组成的张力释放装置,有效缓解摩擦绞车滚筒间的张紧力及振动力,保护了升降系统的安全运行。因此,从海上作业环境条件出发,对海洋风电安装船作业过程中绞车支撑滚筒轴瓦失效的机理分析,对工程实践有重要意义。