CN108256210A - 一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法 - Google Patents

Abstract

一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法，属于海上风机数值仿真计算技术领域。该分析方法基于有限元方法、结构动力学、风力机空气动力学和波浪理论推导出了地震、风和波浪荷载联合作用下的海上风机耦合运动控制方程，并以FAST V8.0为平台，建立地震作用下的海上风机整体耦合分析方法。进一步基于地震荷载作用下海上风机的结构动力反应特性，在海上风机整体耦合分析方法中添加多重质量调谐控制(MTMD)模块和调谐液体柱型阻尼器(TLCD)，实现地震、风和波浪荷载联合作用下海上风机整体结构多方法多方位同步控制。

Description

一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法

技术领域

本发明涉及一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法，属于海上风机数值仿真计算技术领域。

背景技术

现阶段我国近海风电事业发展迅速，近海风电场的选址和规划都需要依托近海大陆架，但是我国沿海地区是地震高发区，比如渤海湾海域。因此对于我国地震高发海域海上风电场的规划和设计有必要将地震荷载作为控制荷载之一。目前国内外海上风电设计规范对于海上风机地震工况的定义并不明确，海上风机结构的抗震设计大多参考海上采油平台或者建筑结构的抗震设计方法。而地震是无法预测的随机过程，往往地震发生时风机处于运行状态，所以海上风机地震工况是空气动力荷载、水动力荷载和地震荷载共同作用的情况，且地震荷载、环境荷载以及与结构反应之间相互影响。但海上采油平台或者建筑结构的抗震设计并未提及地震工况的耦合效应及分析方法，特别是地震与空气动力荷载之间的耦合效应。

为了弥补海上风电地震研究领域的短板，以及指导海上风机结构的抗震设计，本发明首先提出了一种地震工况下的海上风机整体耦合方法。该耦合分析方法以风、浪、地震联合作用下的海上风机整体结构运动控制方程为基础，实现了地震、空气动力和水动力荷载联合作用下的整体结构耦合反应分析。

基于上述整体耦合分析方法，开发地震荷载计算模块，开展了不同地震类型、不同风机运行状态及控制策略、不同设计风速和海况条件下的海上风机动力特性研究。进一步基于地震工况下海上风机结构动力反应特性，添加MTMD和TLCD控制策略，提出了一种地震工况下的海上风机结构的振动控制方法。

上述发明主要是针对于海上风机提出的，但是同样也可应用于陆上风机的地震反应分析和振动控制研究。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提出一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法。基于该发明提出的整体耦合模型可以实现地震、风和波浪荷载联合作用下的海上风机整体耦合反应分析，能够得到更为全面的、合理的结构反应；基于本发明提出的海上风机多方法同步振动控制模型，能够针对不同荷载工况提出有效的海上风机振动控制方法。

本发明采用的技术方案是：一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法，包含以下步骤：

a.建立地震、风和波浪荷载联合作用下的海上风机耦合运动控制方程；

b.基于FAST V8.0中风浪联合作用下的海上风机整体耦合模型和a中的结构运动控制方程，开发地震荷载分析模块，建立地震、风和波浪联合作用下的整体耦合分析方法；

c.编译FAST V8.0中的主程序模块和各个计算模块，编写各模块与地震荷载计算模块的数据接口；

d.开发地震荷载计算模块的系列子功能模块：数据传输模块、数据处理模块、地震动合成模块、地震动修正模块、地震力计算模块；

e.d中所述的地震荷载分析模块为独立模块，既独立开展海上风机在静水+地震条件下的动力反应分析，也与FAST软件的气弹性分析模块和水动力计算模块相结合开展地震、风和波浪联合作用下的结构耦合动力反应分析；

f.基于上述开发建立地震工况下海上风机整体结构耦合反应分析方法；

g.基于f中的海上风机整体耦合分析方法，添加MTMD数值模型，建立地震作用下海上风机局部及整体结构的MTMD控制模型；

h.所述的步骤g中的塔筒MTMD的数值模型包含以下步骤：

h1.基于FAST V8.0中控制系统模块开发风机塔筒MTMD数值模拟模块，在主程序模块和各子程序模块中建立与塔筒MTMD数值模拟模块的数据接口；

h2.风机塔筒MTMD数值模拟模块包含以下功能模块：数据传输模块、MTMD参数设置模块、控制荷载计算模块；

i.基于f中的海上风机整体耦合分析方法，添加TLCD模型模型，建立地震作用下海上风机机舱的TLCD控制模型；

j.所述的步骤i中的TLCD数值模型建立主要包含以下步骤：

j1.建立TLCD与海上风机结构的耦合运动方程；

j2.基于TLCD耦合运动控制方程，开发海上风机TLCD控制模型，包含以下功能模块：数据传输模块、TLCD参数设置模块、TLCD运动方程求解模块。

基于以上设计，本发明至少具有以下优点：

1.建立了更为完善的海上风机整体耦合分析方法，能够开展海上风机在地震、风、海流、波浪等正常或极端条件下的整体耦合反应分析，能够得到更为合理的、精确的结构反应。

2.基于海上风机整体耦合模型得到的结构反应，充分的考虑了气动阻尼、水动阻尼以及耦合效应的影响，同时包含了风机不同的运行状态(风机停机、正常运行、紧急制动、故障停机)和不同的运行控制策略(叶片顺桨、变速变桨、叶尖制动、高速传动轴制动)。上述影响因素对于极端荷载作用下的结构反应具有显著影响，比如气动阻尼对于极端地震作用下结构加速度反应的影响。

3.基于整体耦合模型可以得到涵盖整个风速运行区间的结构反应，能够充分研究不同地震荷载、不同环境荷载条件作用下的海上风机动力反应特性。

4.建立的海上风机MTMD和TLCD控制模型，一方面实现了对于风机局部的TMD、TLCD控制，以及整体的MTMD控制。此外，MTMD与TLCD控制策略的联合使用，实现了不同荷载条件下海上风机的多方法同步控制。基于上述控制方法还可以深入研究不同荷载条件下最优海上风机振动控制策略，可进一步提出适用于海上风机的机械-结构联合振动控制策略。

5.上述地震作用下海上风机整体耦合分析方法及振动控制的方法，同样也可以应用于陆上风机的地震动力反应分析及控制策略研究。

附图说明

上述介绍仅是本发明技术方案的概述，为了更为详细和清楚地介绍本发明的关键技术手段，以下附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是地震、风和波浪联合作用下的海上风机整体耦合模型示意图。

图2是极端地震荷载作用下基于海上风机整体耦合模型得到的结构时程反应对比图。图2清晰地反映了整体模型中气动阻尼对于地震工况下结构反应的影响。

图3是地震作用下海上风机塔筒MTMD控制策略布置示意图。

图4是MTMD控制策略作用下海上风机结构反应对比图。从图4中可以看出在MTMD作用下进一步减小了结构的反应。

具体实施方式

本发明一种地震作用下海上风机整体耦合分析方法主要包括建立地震、风和波浪荷载联合作用下的海上风机结构运动控制方程和实现不同荷载工况下的MTMD、TLCD多方法同步控制。基于推导的风机耦合运动控制方程和FAST V8.0中风浪联合作用下的海上风机整体耦合分析方法，添加地震荷载分析模块，建立地震、风和波浪荷载联合作用下的海上风机整体耦合分析方法。基于该整体耦合分析方法，通过在FAST V8.0的控制模块中添加MTMD和TLCD控制策略数值模型，实现了风机局部和整体的TMD和MTMD控制，风机机舱的TLCD控制，以及塔筒MTMD与机舱TLCD联合运用下风机整体结构的多方法同步控制。地震工况下海上风机整体耦合模型的建立与风机MTMD和TLCD数值模型的开发主要包含以下步骤和特征：

第一部分：首先，建立地震、风和波浪荷载联合作用下的海上风机耦合运动控制方程。地震、风和波浪荷载联合作用下的结构运动控制方程为，

式中：[M],[K]和[C]分别为海上风机整体结构的质量、刚度和阻尼矩阵； 和{x_t}分别为相对于整体坐标系结构加速度、速度和位移向量，为结构的相对加速度，为输入的地震加速度；{f_aero},{f_hydro}和{f_seismic}分别为作用于结构的空气动力、水动力和地震力荷载向量。

式中：{T_aero}为作用于风机叶片叶素的推力向量；{M_aero}为作用于风机叶片叶素的气动扭矩向量；ρ_air为空气密度；B为风机叶片数目；V₀为来流风速；a为轴向诱导系数；φ为入流角，a'为切向诱导系数；c为弦线长度；C_n为法向力系数；C_t为切向力系数；r为叶片的相对半径；Δr为叶素长度。

式中：ρ_water为流体密度；[V]为结构的体积矩阵；和分别为水质点加速度和速度向量；为结构整体速度向量；为海流流速向量；C_M和C_D分别为惯性力和阻尼力系数。

将公式(2)、(3)和(4)代入公式(1)，同时注意到 为风机叶片速度，[R'_Tansfer]为转换矩阵。整理后可得地震、风和波浪荷载联合作用下海上风机整体结构运动耦合方程为，

[M^*]＝[M+ρ_water(C_M-1)V] (6)

[C^*]＝[C+C'+C”] (7)

[K^*]＝[K] (10)

式中：[R_transfer]为转换矩阵；R₂为非线性项进行线性化得到的相关参数。

公式(5)即为地震、风和波浪荷载联合作用下的海上风机耦合运动方程，公式(6)-公式(11)为运动方程各分项的具体表达式，从各分项表达式可以清晰地看出地震、风和波浪荷载之间的耦合效应对于结构反应的影响，特别是气动阻尼和水动阻尼对于结构反应的影响。

基于FAST V8.0中的风浪联合作用下的海上风机整体耦合模型和耦合运动控制方程(5)，添加地震荷载分析模块，建立地震、风和波浪荷载联合作用下的整体耦合分析方法。具体的实现步骤如下：

编译FAST V8.0中的主程序模块和各个计算模块，编写各模块与地震荷载计算模块的数据接口，用于实现地震、风和波浪荷载联合作用下的耦合分析。

为地震荷载计算模块添加子功能模块，主要有数据传输模块、数据处理模块、地震动合成模块、地震动修正模块、地震力计算模块，使得地震荷载计算模块具有地震波合成、地震波修正和地震力计算等功能。比如，该地震荷载分析模块可以读入加速度、速度和位移类型的地震波时程，同时也可以依据规范中推荐的或者用户自定义的响应谱类型自动生成地震波时程。

地震荷载分析模块为独立模块，既独立开展海上风机在静水+地震条件下的动力反应分析，也与FAST软件的气弹性分析模块和水动力计算模块相结合开展地震、风和波浪联合作用下的结构耦合动力反应分析。

基于上述开发使得FAST V8.0具备了地震荷载的计算能力及开展地震工况下整体结构耦合反应分析计算的能力。

基于地震荷载作用下海上风机整体耦合分析方法的动力反应分析主要包含以下计算步骤：

a.建立风机叶片的有限元模型及设置翼型参数。

b.建立叶片的气弾性模型，设置叶片翼型的气动力参数。

c.建立机舱、转子的有限元模型，设置机舱、转子的结构参数。

d.建立风机塔筒的有限元模型，设置塔筒部分的基本结构参数。

e.建立塔筒部分的气动力计算模型，设定塔筒截面的气动力系数。

f.建立风机基础结构的有限元模型。

g.基于海况条件建立海上风机耦合分析的水动力计算模型。

h.依据设计风速建立控制系统模型，比如变速变桨、偏航、顺桨以及高速传动轴和发电机制动等。

i.依据地震设计工况，设置地震荷载输入文件。

j.设置风机动力反应分析的初始条件和初边界条件。

k.在主输入文件中设置有限元计算的基本参数。

l.基于上述海上风机整体结构模型及地震、风和波浪等环境荷载条件开始整体结构的耦合反应分析。

m.气弹性分析模块、水动力计算模块和地震荷载计算模块分别读入风速时程文件、海况文件和地震荷载文件。结合初始条件和初边界条件，分别开展气弹性分析、水动力计算和地震力计算，得到初始时刻的气动力、水动力和地震力。

n.依据m得到的环境荷载，结构动力分析模块和基础结构模块开展整体结构动力反应分析，同时控制策略模块依据风机运行状态，来判断是否需要启动控制策略，从而得到当前时刻的整体结构动力响应参数，如加速度、速度和位移等。

o.基于n得到的整体结构各部分动力响应参数，气弹性分析模块、水动力计算模块和地震荷载计算模块分别计算得到该时刻的各叶片叶素的相对流速、设计水位以下基础结构杆件各节点的相对水质点速度、基础结构参考节点的相对速度和加速度及其分别对应的气动力、水动力和地震力。

p.基于n得到的当前时刻的气动力、水动力和地震力，结构分析模块和基础结构分析模块开展下一时刻的整体结构动力反应分析，同时控制系统模块依据风机的运行状态，来启动相应的控制策略，进而得到下一时刻整体结构各部分的动力响应参数。

q.重复o-p，直至完成所有时间步的边界条件计算和结构动力反应分析。

基于上述计算过程的地震作用下的海上风机整体耦合计算模型充分考虑了地震荷载、环境荷载、控制策略以及结构反应之间的耦合效应。

第二部分：基于地震荷载作用下的海上风机整体耦合分析方法，添加MTMD和TLD数值模型，实现了地震工况下海上风机局部的TMD和TLCD控制，整体的MTMD控制，以及与TLD联合使用的海上风机多方式同步控制。海上风机的MTMD控制包含以下建模和计算步骤：

a.基于FAST V8.0中控制系统模块开发风机塔筒MTMD数值模拟模块，在主程序模块和各子程序模块中建立与塔筒MTMD数值模拟模块的数据接口。

b.风机塔筒MTMD数值模拟模块包含以下主要功能模块：数据传输模块、MTMD参数设置模块、控制荷载计算模块。

c.基于上述方法建立的塔筒MTMD数值模拟模块实现结构控制的步骤如下：

c1.MTMD数值模拟模块依据数据传输模块确定阻尼器初始条件和初边界条件。

c2.MTMD数值模拟模块依据参数设置模块确定阻尼器的基本参数及布置方式。

c3.MTMD数值模拟模块通过其控制荷载计算模块依据初始条件、初边界条件及阻尼器结构参数计算得到阻尼器的惯性力和阻尼力，而后计算得到对应的控制力。

c4.MTMD数值模拟模块通过数据传输模块将控制力作用于结构节点，从而实现对结构的振动控制。

c5.数据传输模块然后会将最新得到的节点的结构反应参数传递给控制荷载计算模块，控制荷载计算模块首先通过求解运动控制方程得到阻尼器的反应参数，而后依据阻尼器的反应参数、结构参数计算得到新的控制力，再将其作用于风机结构的节点。

海上风机机舱TLCD控制模型包含以下建模和计算步骤：

首先，建立机舱TLCD与海上风机结构的运动耦合方程。参考公式(5)，TLCD控制下海上风机整体耦合运动方程可写为，

式中：{f_TLCD}为TLCD作用于风机的控制力；为TLCD水质点加速度向量；A为TLCD的横截面面积；W为TLCD的水体长度；为风机机舱的加速度向量。

TLCD的耦合运动方程为，

式中：L为TLCD的特征长度；ε为水头损失系数；α＝WL；

参考TLCD控制方程(15)开发海上风机TLCD控制模型，具体实施步骤为：

a.基于FAST V8.0中控制系统模块开发TLCD数值模拟模块，在主程序模块和各子程序模块中建立与TLCD模块的数据接口。

b.TLCD数值模拟模块主要包含以下功能模块：数据传输模块、TLCD参数设置模块、TLCD运动方程求解模块。

c.基于上述方法建立的TLCD数值模拟模块实现结构控制的步骤如下：

c1.TLD数值模拟模块依据数据传输模块确定TLCD的初始条件和初边界条件，比如风机机舱的加速度向量

c2.TLCD数值模拟模块依据参数设置模块确定TLCD的基本参数，比如水槽的特征尺寸、水深等。

c3.TLCD数值模拟模块确定TLCD基本参数以后，依据初始条件和初边界条件求解TLCD耦合运动方程，求得TLCD的水质点加速度向量

c4.TLCD数据传输模块将求得的水质点加速度向量传递给海上风机结构运动控制方程。通过水质点加速度向量求得其反作用力并作用于风机机舱的相应节点，以此来实现对风机机舱运动的控制。

基于海上风机整体耦合分析方法开发的振动控制数值模拟模块考虑了结构反应与控制模型运动的耦合效应，并且是通过联立求解结构和控制模型耦合运动方程来实现的。

以上所述，仅是本发明的较佳实例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，本领域技术人员利用上述揭示的技术内容做出些许简单修改、等同变化或修饰，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种地震工况下的海上风机整体耦合分析方法，其特征在于包含以下步骤：

a.建立地震、风和波浪荷载联合作用下的海上风机耦合运动控制方程；

b.基于FAST V8.0中风浪联合作用下的海上风机整体耦合模型和a中的结构运动控制方程，开发地震荷载分析模块，建立地震、风和波浪联合作用下的整体耦合分析方法；

c.编译FAST V8.0中的主程序模块和各个计算模块，编写各模块与地震荷载计算模块的数据接口；

d.开发地震荷载计算模块的系列子功能模块：数据传输模块、数据处理模块、地震动合成模块、地震动修正模块、地震力计算模块；

e.d中所述的地震荷载分析模块为独立模块，既独立开展海上风机在静水+地震条件下的动力反应分析，也与FAST软件的气弹性分析模块和水动力计算模块相结合开展地震、风和波浪联合作用下的结构耦合动力反应分析；

f.基于上述开发建立地震工况下海上风机整体结构耦合反应分析方法；

g.基于f中的海上风机整体耦合分析方法，添加MTMD数值模型，建立地震作用下海上风机局部及整体结构的MTMD控制模型；

h.所述的步骤g中的塔筒MTMD的数值模型包含以下步骤：

h1.基于FAST V8.0中控制系统模块开发风机塔筒MTMD数值模拟模块，在主程序模块和各子程序模块中建立与塔筒MTMD数值模拟模块的数据接口；

h2.风机塔筒MTMD数值模拟模块包含以下功能模块：数据传输模块、MTMD参数设置模块、控制荷载计算模块；

i.基于f中的海上风机整体耦合分析方法，添加TLCD模型模型，建立地震作用下海上风机机舱的TLCD控制模型；

j.所述的步骤i中的TLCD数值模型建立主要包含以下步骤：

j1.建立TLCD与海上风机结构的耦合运动方程；

j2.基于TLCD耦合运动控制方程，开发海上风机TLCD控制模型，包含以下功能模块：数据传输模块、TLCD参数设置模块、TLCD运动方程求解模块。