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半潜式海上风力发电机的刚柔耦合多体动力学建模研究
作者及机构
本研究由Yifan Luo、Feng Qian、Hongxin Sun、Xiuyong Wang、Anhua Chen和Lei Zuo共同完成。研究团队分别来自湖南科技大学结构工程风阻与振动控制湖南省重点实验室、湖南科技大学机械工程学院、美国宾夕法尼亚州立大学贝伦德分校机械工程技术系以及美国密歇根大学船舶与海洋工程系。研究论文于2023年4月28日在线发表在期刊《Ocean Engineering》第281卷，论文编号114648。
学术背景
随着全球能源需求的不断增长，陆地资源开发已无法满足人类需求，海上可再生能源（包括风能、潮汐能和波浪能）成为具有巨大潜力的新能源来源。海上风力发电机（Offshore Wind Turbine, OWT）被认为是开发海上风能的最有效方式之一。海上风力发电机平台可分为固定式和浮动式，其中浮动式平台在深海区域具有显著优势，因为深海区域蕴藏着大部分风能资源。半潜式浮动风力发电机（Semi-submersible Floating Offshore Wind Turbine, FOWT）因其浅吃水和良好的稳定性，被认为是未来发展的重点。
然而，在实际海洋环境中，FOWT由于受到风浪耦合载荷的作用，会产生较大的结构振动，可能导致平台失稳和锚链疲劳损坏。因此，研究FOWT的动力学特性并设计有效的振动控制策略具有重要意义。美国国家可再生能源实验室（NREL）开发的FAST仿真工具虽然能够很好地模拟风力发电机的非线性动态行为，但其复杂的Fortran源代码修改不便，难以满足振动控制设计的需求。因此，许多学者提出了不同的简化动力学模型。本文旨在建立一个包含柔性部件的半潜式FOWT刚柔耦合动力学模型，为结构动力学分析和先进振动控制设计提供低阶方法。
研究流程
本研究的主要流程包括以下几个步骤：
模型建立
研究团队建立了一个14自由度（14-DOF）的柔性多体动力学模型，用于描述半潜式FOWT的动力学行为。模型考虑了平台、塔架、机舱、叶片和锚链的耦合动力学，并对外部风浪载荷进行了建模。平台被简化为通过锚链系统与海底连接的刚体，塔架和叶片被建模为柔性悬臂梁。模型采用拉格朗日能量法推导运动方程，其中动能、势能和外部风浪力所做的功均在全局坐标系中推导。
模型验证
研究团队使用NREL开发的5 MW基准半潜式FOWT对模型进行验证，验证场景包括自由衰减状态和不同风浪载荷工况。结果表明，所建立的FOWT模型能够很好地反映FAST模型的振动特性。
振动控制应用
研究团队进一步将模型应用于平台俯仰控制的调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）设计中，研究了TMD对平台俯仰振动的控制效果。
研究对象及方法
研究对象为NREL 5 MW OC4-DeepCwind半潜式FOWT，其主要参数包括转子直径126米、轮毂高度90米、叶片长度61.5米、平台质量1.3447e+7 kg等。研究团队将塔架和叶片建模为Bernoulli-Euler悬臂梁，并考虑了转子转速对叶片势能计算的影响。风浪载荷的计算基于叶片元素动量理论（Blade Element Momentum Theory, BEMT）和Morison方程，锚链系统被简化为与平台自由度对应的无质量线性弹簧。
实验结果
在自由衰减状态下，模型能够很好地反映FAST模型的振动特性，识别出的自然频率与FAST模型的误差小于5%。在不同风浪载荷工况下，模型的主要振动模式频率与FAST模型非常接近，时间响应误差在可接受范围内。此外，模型的计算效率显著高于FAST模型，自由衰减状态下的计算时间减少了近150倍，强迫振动响应下的计算时间减少了近7倍。
在振动控制应用中，研究团队设计了一种安装在机舱内的TMD，用于控制平台俯仰振动。通过优化TMD参数，平台俯仰振动的频谱峰值在自然频率0.038 Hz处减少了64%，证明了TMD的有效性。
结论
本研究建立了一个半潜式FOWT的刚柔耦合多体动力学模型，能够很好地描述平台、塔架、叶片和锚链的耦合动力学行为。模型在自由衰减状态和不同风浪载荷工况下均表现出良好的准确性，计算效率显著高于FAST模型。此外，模型为半潜式FOWT的被动和主动振动控制设计提供了便利工具，具有重要的科学和应用价值。
研究亮点
1. 建立了一个包含柔性部件的14-DOF半潜式FOWT刚柔耦合动力学模型，能够全面描述平台的振动特性。
2. 模型在自由衰减状态和不同风浪载荷工况下均表现出良好的准确性，验证了其可靠性。
3. 模型计算效率显著高于FAST模型，为快速仿真和振动控制设计提供了便利。
4. 通过TMD设计，平台俯仰振动的频谱峰值减少了64%，证明了振动控制策略的有效性。
其他有价值的内容
研究团队还详细讨论了模型在风浪载荷计算中的假设和误差来源，包括Morison方程的近似性、风载荷传递的计算误差等，为未来模型的进一步优化提供了方向。
通过以上报告，读者可以全面了解本研究的背景、方法、结果及其在海上风力发电机振动控制领域的重要贡献。