CN116401778A - 一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法、装置和设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法、装置和设备，方法包括：有限元仿真确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率和结构模态质量；通过预设质量比值和一阶弯曲自振频率计算阻尼器的调谐频率；根据阻尼器中第一条形液柱和第二条形液柱初始化第一水平长度和第二水平长度；生成阻尼器中液体深度、第一水平长度、第二水平长度和调谐频率之间的第一数值关系，以确定液体深度；建立液体质量和液体深度之间的第二数值关系来确定其他结构参数；基于得到的结构参数开展双向流固耦合数值计算，若得到的减振指标满足预设减振条件则输出阻尼器结构参数。本发明提供的技术方案，能够得到使环形调谐液柱阻尼器减振效果更优的结构参数。
Description
技术领域
本发明涉及风力发电系统振动控制领域，具体涉及一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法、装置和设备。
背景技术
风力发电系统在外界环境荷载及运行荷载作用下，塔筒会产生循环往复的振动。随着风电发电机组容量的增大，机组塔筒的高度逐渐增大，由机组-塔筒-基础-地基构成的整机结构的振动问题已成为结构设计和安全稳定运行的重要指标。通过在塔筒上设置调谐阻尼减振装置能够有效抑制机组和塔筒的振动，保障机组和塔筒的安全。常用的调谐阻尼减振装置包括调谐质量阻尼器(TMD)、调谐液体阻尼器(TLD)、调谐液柱阻尼器(TLCD)等。调谐液柱阻尼器通常为U型的矩形水箱，水箱中盛满液体，通过调节液体长度使得TLCD频率接近受控对象的频率，振动时依靠液体运动和边界层中的粘性作用导致的液体水头损失而实现消能。TLCD只能控制结构单一方向的振动响应，而对风力发电机组影响最主要的风荷载、浪荷载、地震荷载等荷载的输入方向具有不确定性，无法实现风力发电机组的多方向减振耗能。
近年来新提出了一种环形调谐液柱阻尼器，具体结构可参考文件CN114909010A和CN217501237U。环形调谐液柱阻尼器是一种可以实现多方向调谐的阻尼减振新装置，其几何结构特征与圆形塔筒一致，具备多方向同时调谐的优势，能够适应风电机组整机结构承受的随机、多向荷载。然而，由于环形调谐液柱阻尼器内部结构比TLCD更加复杂，传统应用于TLCD的设计方法难以满足环形调谐液柱阻尼器设计的需要。现有TLCD的设计方法无法确定环形调谐液柱阻尼器的最优结构参数，例如阻尼器外壳半径、内壳半径等等，也不能确保液体频率与塔筒频率之间的精准调谐。亟需一种针对环形调谐液柱阻尼器的新的结构设计方法来确定环形调谐液柱阻尼器的结构参数。
发明内容
有鉴于此，本发明实施方式提供了一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法、装置和设备，能够得到使环形调谐液柱阻尼器减振效果更优的结构参数。
根据第一方面，本发明实施例提供了一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法，所述方法包括：建立风机塔筒的有限元数值仿真模型，通过对所述有限元数值仿真模型进行模态分析，确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率以及相应的结构模态质量；通过预设质量比值和所述一阶弯曲自振频率计算环形调谐液柱阻尼器的调谐频率，所述预设质量比值是环形调谐液柱阻尼器中的液体质量与所述结构模态质量之比；从环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱中确定第一条形液柱和第二条形液柱，所述第一条形液柱是环形调谐液柱阻尼器沿激励方向在外壳直径上相对的液柱，所述第二条形液柱是环形调谐液柱阻尼器中与所述第一条形液柱相邻且在同一侧的相对液柱；初始化第一条形液柱之间的第一水平长度和第二条形液柱之间的第二水平长度；建立环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述调谐频率之间的第一数值关系，并基于所述第一数值关系确定所述液体深度；建立所述液体质量、所述液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和其他结构参数之间的第二数值关系，并基于所述第二数值关系确定所述其他结构参数，所述其他结构参数包括环形调谐液柱阻尼器的外壳半径、内壳半径、水平通道高度、内壳高度和外壳高度；将所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述其他结构参数作为阻尼器结构参数开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，得到减振指标；判断所述减振指标是否满足预设减振条件，若满足则输出所述阻尼器结构参数。
可选地，生成的环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述调谐频率之间的第一数值关系如下式：
式中，χ表示频率修正系数，预设χ＝1，η表示横截面积比，预设η＝1，
H1表示所述第一水平长度，H2表示所述第二水平长度，ff表示所述调谐频率，g表示重力加速度。
可选地，在所述基于所述第二数值关系确定所述其他结构参数之前，所述方法还包括：通过下式计算初始长度比p
式中，H1表示所述第一水平长度，V表示所述液体深度；
判断所述初始长度比是否落在[0.5，0.6]范围内；
若没有落在[0.5，0.6]范围内，则重新初始化所述第一水平长度和所述第二水平长度。
可选地，建立的所述第二数值关系包括：mf＝8AVV+AHH1+2AHH2，
式中，mf表示所述液体质量，AV表示某个条形液柱的横截面积，AH代表对应的等效TLCD水平段液柱的横截面积，R1和R2分别表示环形调谐液柱阻尼器的外壳半径和内壳半径，B3表示环形调谐液柱阻尼器的水平通道高度，V表示液体深度；
所述基于所述第二数值关系确定所述其他结构参数，包括：将所述液体质量、所述液体深度、所述第一水平长度和所述第二水平长度代入所述第二数值关系，计算环形调谐液柱阻尼器的外壳半径、内壳半径和水平通道高度；通过所述液体深度的预设倍数确定环形调谐液柱阻尼器的外壳高度；基于所述外壳高度和所述水平通道高度的差值计算环形调谐液柱阻尼器的内壳高度。
可选地，所述方法还包括：通过所述阻尼器结构参数创建流体动力学模型；将所述液体深度与预设补偿相加，得到补偿液体深度；将所述补偿液体深度输入所述流体动力学模型进行自由衰减振动模拟，找到所述调谐频率对应的模拟液体深度；利用所述模拟液体深度更新所述液体深度的数值；通过更新后的液体深度和所述液体质量之间的关系修正所述阻尼器结构参数。
可选地，所述方法还包括：将更新后的所述液体深度代入式
中，输出新的频率修正系数；式中，χ'表示新的频率修正系数，η表示横截面积比，预设η＝1，/>
H1表示所述第一水平长度，H2表示所述第二水平长度，ff表示所述调谐频率，g表示重力加速度。
可选地，所述预设补偿等于所述水平通道高度。
根据第二方面，本发明实施例提供了一种环形调谐液柱阻尼器结构设计装置，所述装置包括：塔筒仿真模块，用于建立风机塔筒的有限元数值仿真模型，通过对所述有限元数值仿真模型进行模态分析，确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率以及相应的结构模态质量；调谐频率计算模块，用于通过预设质量比值和所述一阶弯曲自振频率计算环形调谐液柱阻尼器的调谐频率，所述预设质量比值是环形调谐液柱阻尼器中的液体质量与所述结构模态质量之比；等效液柱确定模块，用于从环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱中确定第一条形液柱和第二条形液柱，所述第一条形液柱是环形调谐液柱阻尼器沿激励方向在外壳直径上相对的液柱，所述第二条形液柱是环形调谐液柱阻尼器中与所述第一条形液柱相邻且在同一侧的相对液柱；水平长度初始化模块，用于初始化第一条形液柱之间的第一水平长度和第二条形液柱之间的第二水平长度；液体深度计算模块，用于建立环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述调谐频率之间的第一数值关系，并基于所述第一数值关系确定所述液体深度；其他结构参数计算模块，用于建立所述液体质量、所述液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和其他结构参数之间的第二数值关系，并基于所述第二数值关系确定所述其他结构参数，所述其他结构参数包括环形调谐液柱阻尼器的外壳半径、内壳半径、水平通道高度、内壳高度和外壳高度；减振实验模块，用于将所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述其他结构参数作为阻尼器结构参数开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，得到减振指标；结构参数输出模块，判断所述减振指标是否满足预设减振条件，若满足则输出所述阻尼器结构参数。
根据第三方面，本发明实施例提供了一种环形调谐液柱阻尼器结构设计设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述的方法。
根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行第一方面，或者第一方面任意一种可选实施方式中所述的方法。
本申请提供的技术方案，具有如下优点：
本申请提供的技术方案，首先建立风机塔筒的有限元数值仿真模型，通过对有限元数值仿真模型进行模态分析，确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率以及相应的结构模态质量；然后通过预设质量比值和一阶弯曲自振频率计算环形调谐液柱阻尼器的调谐频率，之后从环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱中确定第一条形液柱和第二条形液柱，并初始化第一条形液柱之间的第一水平长度和第二条形液柱之间的第二水平长度；从而生成环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、第一水平长度、第二水平长度和调谐频率之间的第一数值关系，并基于第一数值关系确定液体深度；之后建立液体质量、液体深度、第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数之间的第二数值关系，并基于第二数值关系计算其他结构参数；并利用第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数构成的阻尼器结构参数开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，得到减振指标；当减振指标满足预设减振条件时输出阻尼器结构参数。本发明实施例提供的方案将自研的理论计算与数值仿真进行紧密结合，提高了设计效率也保证了设计精度。采用数值仿真进行风机塔筒与环形调谐液柱阻尼器的整体计算，能够更加准确评估环形调谐液柱阻尼器的减振性能，以满足直接应用于工程实践的需求。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了本发明一个实施方式中一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法的步骤示意图；
图2示出了本发明一个实施方式中环形调谐液柱阻尼器的结构示意图；
图3示出了本发明一个实施方式中一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法的流程示意图；
图4示出了本发明一个实施方式中一种环形调谐液柱阻尼器结构设计装置的结构示意图；
图5示出了本发明一个实施方式中一种环形调谐液柱阻尼器结构设计设备的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，在一个实施方式中，一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法，具体包括以下步骤：
步骤S101：建立风机塔筒的有限元数值仿真模型，通过对有限元数值仿真模型进行模态分析，确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率以及相应的结构模态质量。
具体地，本发明实施例根据风机塔筒设计图纸，利用CATIA软件进行三维塔筒几何建模，并将模型导入至Hypermesh软件中，采用壳单元进行塔筒网格单元的划分，随后将塔筒网格单元导入ANSYS Workbenck的Modal分析子模块，对塔筒网格单元赋予材料属性(弹性模量、泊松比、密度)，最后可通过Modal分析子模块计算塔筒的一阶弯曲自振频率fs和相对应的模态质量ms。
步骤S102：通过预设质量比值和一阶弯曲自振频率计算环形调谐液柱阻尼器的调谐频率，预设质量比值是环形调谐液柱阻尼器中的液体质量与结构模态质量之比。
具体地，可通过常用的环形调谐液柱阻尼器的调谐频率ff和一阶弯曲自振频率fs的关系计算调谐频率ff，公式如下：
式中，fs为塔筒的一阶弯曲自振频率，μ为预设质量比值，表示环形调谐液柱阻尼器中的液体质量与结构模态质量之比。
需要注意的是，在本发明实施例中，设定阻尼器的液体质量与结构模态质量之比的范围是0.01～0.05，从而计算调谐频率时，考虑了环形调谐液柱阻尼器的质量对整体结构自振频率的影响，使得后续设计的结构参数在减振性能上表现更优。
步骤S103：从环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱中确定第一条形液柱和第二条形液柱，第一条形液柱是环形调谐液柱阻尼器沿激励方向在外壳直径上相对的液柱，第二条形液柱是环形调谐液柱阻尼器中与第一条形液柱相邻且在同一侧的相对液柱。
具体地，如图2所示，是环形调谐液柱阻尼器的结构示意图，由于目前的技术表明环形调谐液柱阻尼器具有8个矩形挡板时多向振动控制性能最优，因此本发明实施例以具有8个矩形挡板的环形调谐液柱阻尼器为例描述生成结构参数的步骤。在实际应用中，只要挡板数量是大于等于6个的双数，本实施例提供的结构参数生成方法均适用，本实施例并不以具有8个矩形挡板的环形调谐液柱阻尼器作为限定。
本实施例基于上述步骤S101～S102的相关参数，通过大量研究与仿真，提出了单独适用于环形调谐液柱阻尼器的结构参数计算公式。首先在准备阶段，如图2所示，本实施例需定义环形调谐液柱阻尼器沿着激励方向在外壳直径上相对的液柱为第一条形液柱，定义环形调谐液柱阻尼器中与第一条形液柱相邻且在同一侧的相对液柱为第二条形液柱。
步骤S104：初始化第一条形液柱之间的第一水平长度和第二条形液柱之间的第二水平长度。
步骤S105：生成环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、第一水平长度、第二水平长度和调谐频率之间的第一数值关系，并基于第一数值关系确定液体深度。
具体地，第一条形液柱之间的第一水平长度H1和第二条形液柱之间的第二水平长度H2是需要预先初始化设定的两个阻尼器结构参数。在第一水平长度H1和第二水平长度H2初始化之后，本发明实施例根据环形调谐液柱阻尼器的自振频率固有特性在后续提出单独适用于环形调谐液柱阻尼器的结构参数设计公式，即环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、第一水平长度、第二水平长度和调谐频率之间的第一数值关系，从而实现结构设计。
具体地，本实施通过列出外界激励下环形调谐液柱阻尼器内各部分液体的动能、势能以及受到的非保守耗散力，将上述能量、力代入拉格朗日动力学方程后可求得环形调谐液柱阻尼器的运动方程，通过运动方程即可确定出环形调谐液柱阻尼器的自振频率固有特性。然后，根据环形调谐液柱阻尼器的自振频率固有特性，本发明实施例提出如下表示第一水平长度、第二水平长度和调谐频率之间的第一数值关系：
式中，χ表示频率修正系数，预设χ＝1，η表示横截面积比，预设η＝1，
H1表示第一水平长度，H2表示第二水平长度，ff表示调谐频率。
具体地，假定频率修正系数χ＝1，假定横截面积比η＝1(横截面积比是任意一个条形液柱的横截面积与其自身水平段液柱的横截面积的比值)，将第一水平长度H1、第二水平长度H2和步骤一计算的调谐频率ff代入上式，从而输出环形调谐液柱阻尼器中应当灌入的液体高度V。
步骤S106：建立液体质量、液体深度、第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数之间的第二数值关系，并基于第二数值关系确定其他结构参数，其他结构参数包括环形调谐液柱阻尼器的外壳半径、内壳半径、水平通道高度、内壳高度和外壳高度。
具体地，在步骤S101～S102中，表示液体质量与结构模态质量之比的预设质量比值μ已初始化设定，结构模态质量ms在步骤S101中已通过建模得到，从而液体质量mf可通过结构模态质量ms与预设质量比值μ的乘积得到。由于液体质量mf一定，需要达到环形调谐液柱阻尼器调谐频率的液体深度也在步骤S105中获得，想要让固定液体质量的液体灌入阻尼器达到固定液体深度，建立液体深度和液体质量之间的第二数值关系，除第一水平长度H1和第二水平长度H2之外，满足上述条件的其他结构参数同样可以按照一定的计算分析方法进行确定，从而形成完整的结构参数方案。
步骤S107：将第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数作为阻尼器结构参数开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，得到减振指标。
具体地，本发明实施例基于ANSYS Workbench应用中的FLUENT子模块和Transientstructural子模块开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，从而验证环形调谐液柱阻尼器性能。确定环形调谐液柱阻尼器中液体深度为V0′后，分别计算液体深度为V＝V0′和V＝0时的动力响应，以风机塔筒顶部(即机舱)在顺风向和垂直风向的位移响应标准差为指标，统计其衰减率，用衰减率评价环形调谐液柱阻尼器的减振性能，衰减率越大，减振性能越好。具体地步骤包括：1.使用CATIA软件，在步骤S101建立的风机塔筒中确定需要安装环形调谐液柱阻尼器的位置；2.利用步骤S102～S106确定的环形调谐液柱阻尼器的阻尼器结构参数建立环形调谐液柱阻尼器的三维几何模型，并导入Hypermesh中进行网格的划分；3.将风机塔筒和环形调谐液柱阻尼器的网格模型导入ANSYS Workbench的Transient structural子模块，设置环形调谐液柱阻尼器为流固耦合计算的交界面；4.将风机在切入风速、额定运行风速、切出风速、极端风速工况下的风荷载(以及浪荷载)计算好后作为外荷载施加到ANSYS Workbench的Transient structural子模块中风机塔筒的相应网格单元处，其中风荷载施加在塔筒顶部、浪荷载施加在水位线以下；5.将环形调谐液柱阻尼器的计算流体动力学模型中的壁面设置为流固耦合交界面；6.开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，分别计算液体深度为V＝V0′和V＝0时的动力响应，以风机塔筒顶部(即机舱)在顺风向和垂直风向方向的位移响应标准差为指标，统计其衰减率，评价环形调谐液柱阻尼器的减振性能。
步骤S108：判断减振指标是否满足预设减振条件，若满足则输出阻尼器结构参数，否则返回步骤S103重新确定阻尼器结构参数。
具体地，本发明实施例预设减振指标的减振条件，表征环形调谐液柱阻尼器的结构参数能够达到减振要求。例如判断步骤S107输出的衰减率是否超过预设数值。如果衰减率超过预设数值，则表征上述步骤设计的阻尼器结构参数效果较好，从而输出阻尼器结构参数，如果衰减率未超过预设数值，则重新执行步骤S103确定新的阻尼器结构参数，并通过步骤S107重新计算减振指标，直至阻尼器结构参数能够达到减振要求。
通过本发明实施例提供的方案，将理论计算和数值仿真进行紧密结合，提高设计效率的同时保证设计精度。采用数值仿真进行风机塔筒与环形调谐液柱阻尼器的整体计算，能够更加准确评估环形调谐液柱阻尼器的减振性能，以满足直接应用于工程实践的需求。
具体地，在一实施例中，在上述步骤S106之前，还包括如下步骤：
步骤一：通过下式计算初始长度比p
式中，H1表示第一水平长度，V表示液体深度。
步骤二：判断初始长度比是否落在[0.5，0.6]范围内。
步骤三：若没有落在[0.5，0.6]范围内，则重新初始化第一水平长度和第二水平长度。
具体地，根据本申请在应用场景中的研究结果表示，通过式
计算的初始长度比p能够表征环形调谐液柱阻尼器的控制性能，通常初始长度比p的取值范围为0.2～0.8，p越大，环形调谐液柱阻尼器的控制性能越好，液体响应振幅越大。在本发明实施例中，由于塔筒对环形调谐液柱阻尼器的外壳半径有一定限制，从而p的取值范围在0.5～0.6为最佳。所以，本发明实施例在步骤S106之前，还需通过第一水平长度H1计算初始长度比，并判断初始长度比是否落在[0.5，0.6]范围内，如果初始长度比没有落在[0.5，0.6]范围内，则重新初始化第一水平长度和第二水平长度，当初始长度比满足[0.5，0.6]的条件时，再执行步骤S106，从而使得生成的结构参数能够进一步提高环形调谐液柱阻尼器的控制性能。如果外壳半径超出风机塔筒内半径的限制，应减小p值，重新计算环形调谐液柱阻尼器的结构参数。
具体地，在一实施例中，上述步骤S106，具体包括如下步骤：
步骤四：建立如下第二数值关系，并通过下式计算环形调谐液柱阻尼器的外壳半径、内壳半径和水平通道高度。
mf＝8AVV+AHH1+2AHH2，
式中，mf表示液体质量，AV表示某个条形液柱的横截面积，AH代表对应的等效TLCD水平段液柱的横截面积，R1和R2分别表示环形调谐液柱阻尼器的外壳半径和内壳半径，B3表示环形调谐液柱阻尼器的水平通道高度。
具体地，针对环形调谐液柱阻尼器，根据大量的理论分析和仿真研究，本发明实施例提出，液体质量和液体深度满足的第二数值关系为：mf＝8AVV+AHH1+2AHH2。其中，本实施例设定横截面积比η＝1，当横截面积比η＝1时，确定环形调谐液柱阻尼器的控制性能最优。从而通过上式计算某个条形液柱的横截面积AV和某个等效TLCD水平段液柱的横截面积AH。进而将液体质量、液体深度、第一水平长度和第二水平长度代入上式，计算出环形调谐液柱阻尼器的外壳半径R1和和内壳半径R2、水平通道高度B3。
步骤五：通过液体深度的预设倍数确定环形调谐液柱阻尼器的外壳高度。
具体地，本发明实施以液体深度V的预设倍数确定环形调谐液柱阻尼器的外壳高度B1，通过本申请的研究表明，预设倍数的最佳取值范围是2～3倍。
步骤六：基于外壳高度和水平通道高度的差值计算环形调谐液柱阻尼器的内壳高度。
具体地，进一步计算环形调谐液柱阻尼器的内壳高度为B2＝B1-B3。环形调谐液柱阻尼器的厚度为R3＝R1-R2。并将外壳半径、内壳半径、水平通道高度、内壳高度和外壳高度作为阻尼器结构参数输出，在减振性能验证之后即可作为阻尼器的最优设计方案，提高环形调谐液柱阻尼器的减振效果。
具体地，在一实施例中，如图3所示，本发明实施例提供的确定环形调谐液柱阻尼器结构参数的方法，还包括如下步骤：
步骤七：通过阻尼器结构参数创建流体动力学模型。
步骤八：将液体深度与预设补偿相加，得到补偿液体深度。
步骤九：将补偿液体深度输入流体动力学模型进行自由衰减振动模拟，找到调谐频率对应的模拟液体深度。
步骤十：利用模拟液体深度更新液体深度的数值。
步骤十一：通过更新后的液体深度和液体质量之间的关系修正阻尼器结构参数。
具体地，在步骤S105中，假定的频率修正系数χ＝1是指假设环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱全部参与竖直向振荡运动而没有产生水平向晃动运动，这是一种理想状态，在真实环境中通常达不到这一状态，导致步骤S105中计算得到的液体深度偏小，进而导致阻尼器结构参数的准确性还有待提高。本发明实施例，通过流体动力学模型进行自由衰减振动模拟，对阻尼器的液体深度进行修正，以进一步提高后续结构参数方案的准确度。
首先通过步骤S106输出的阻尼器结构参数建立三维计算流体动力学模型，并设定模型的液体深度略大于步骤S105计算的液体深度，具体操作方法为通过液体深度与预设补偿相加，得到略大的补偿液体深度。在本发明实施例中，将预设补偿设定为水平通道高度B3的数值为最佳。然后将补偿液体深度输入流体动力学模型进行自由衰减振动模拟，提取液体的动力响应进行傅里叶频谱分析，通过多次试算，找到液体频率设计值ff对应的模拟液体深度V0′。衰减振动模拟的具体步骤包括：获取步骤S105输出的阻尼器结构参数，利用CATIA软件进行环形调谐液柱阻尼器的三维几何体建模，并将模型导入至Hypermesh中，采用三维六面体网格进行环形调谐液柱阻尼器网格单元的划分，随后将网格单元导入ANSYSWorkbenck的FLUENT分析子模块进行参数设置，通过设置不同的初始液体深度Vi开展自自由衰减振动模拟，将自由衰减振动的时程进行傅里叶变换，确定每个初始液体深度Vi对应的频率fi，最后确定设计值ff对应的模拟液体深度V0′，从而完成对液体深度的修正。
需要注意的是，衰减振动模拟采用三维六面体网格进行环形调谐液柱阻尼器网格单元的划分时，需要同时选择不同尺寸六面体网格进行环形调谐液柱阻尼器网格单元的划分。针对不同网格尺寸的单元划分方式，在FLUENT子模块中设置相同的初始液体深度，分别进行自由衰减振动计算，通过对比计算结果，才能确保网格的划分不会影响计算结果。
此外，在本实施例中，FLUENT子模块参数设置时，选择基于压力的求解器进行瞬态求解；选择Volume of Fluid的多相流模型，采用Realizable k-ε湍流模型，采用标准的壁面函数；设置液体和环境空气的材料参数；将环形调谐液柱阻尼器容器面设置成壁面，将环形调谐液柱阻尼器圆柱体外壳和内壳上方与大气连通的面设置成压力出口面；通过编写用户自定义函数(UDF)，给定环形调谐液柱阻尼器内流体域的运动条件，优选为正弦运动信号，其频率为环形调谐液柱阻尼器的设计自振频率ff，幅值为0.1倍的R1，运动周期为10个周期；划分气液两相：取某一Vi值，进行气相和液相的划分，其中上方为气相，下方为液相；创建环形调谐液柱阻尼器液柱的液位高度的监测点，并在计算过程中保存输出结果；计算的固定时步优选为时步长度为0.01s，计算时间长度可选为正弦运动信号的20个周期长度。
最后，本实施例基于修正后的液体深度重新执行步骤四至步骤六，更新阻尼器结构参数的数值，能够输出更加准确的阻尼器结构参数。
具体地，在一实施例中，本发明实施例提供的确定环形调谐液柱阻尼器结构参数的方法，还包括如下步骤：
步骤十二：将更新后的液体深度代入式
中，输出新的频率修正系数；式中，χ'表示新的频率修正系数，η表示横截面积比，预设η＝1，
H1表示第一水平长度，H2表示第二水平长度，ff表示调谐频率。
具体地，在本发明实施例中，基于上述步骤十三输出的修正后的液体深度，结合前述横截面积比、第一水平长度、第二水平长度和调谐频率系列参数，回代入下式
从而得到更加准确地新的频率修正系数χ'。基于新的频率修正系数能够在下一个环形调谐液柱阻尼器结构参数设计方案中直接使用，相比假定频率修正系数为1的计算过程，能够进一步提高下一个环形调谐液柱阻尼器结构参数的生成效率和生成准确率。
具体地，在一实施例中，本发明实施例针对多种极端工况执行上述步骤S101到步骤十二的过程，建立环形调谐液柱阻尼器的调谐频率、结构参数与减振效果之间的设计空间，对应保存每一种极端工况的新频率修正系数χ'，从而在后续优化过程中，针对于各类计算工况的频率修正系数可以直接读取使用，对应的提高同一风电场中不同机组型号、塔筒尺寸等风机塔筒的环形调谐液柱阻尼器的参数设计与优化效率。
通过上述步骤，本申请提供的技术方案，首先建立风机塔筒的有限元数值仿真模型，通过对有限元数值仿真模型进行模态分析，确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率以及相应的结构模态质量；然后通过预设质量比值和一阶弯曲自振频率计算环形调谐液柱阻尼器的调谐频率，之后从环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱中确定第一条形液柱和第二条形液柱，并初始化第一条形液柱之间的第一水平长度和第二条形液柱之间的第二水平长度；从而生成环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、第一水平长度、第二水平长度和调谐频率之间的第一数值关系，并基于第一数值关系确定液体深度；之后建立液体质量、液体深度、第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数之间的第二数值关系，并基于第二数值关系计算其他结构参数；并利用第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数构成的阻尼器结构参数开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，得到减振指标；当减振指标满足预设减振条件时输出阻尼器结构参数。本发明实施例提供的方案将自研的理论计算与数值仿真进行紧密结合，提高了设计效率也保证了设计精度。采用数值仿真进行风机塔筒与环形调谐液柱阻尼器的整体计算，能够更加准确评估环形调谐液柱阻尼器的减振性能，以满足直接应用于工程实践的需求。
如图4所示，本实施例还提供了一种环形调谐液柱阻尼器结构设计装置，装置包括：
塔筒仿真模块101，用于建立风机塔筒的有限元数值仿真模型，通过对有限元数值仿真模型进行模态分析，确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率以及相应的结构模态质量。详细内容参见上述方法实施例中步骤S101的相关描述，在此不再进行赘述。
调谐频率计算模块102，用于通过预设质量比值和一阶弯曲自振频率计算环形调谐液柱阻尼器的调谐频率，预设质量比值是环形调谐液柱阻尼器中的液体质量与结构模态质量之比。详细内容参见上述方法实施例中步骤S102的相关描述，在此不再进行赘述。
等效液柱确定模块103，用于从环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱中确定第一条形液柱和第二条形液柱，第一条形液柱是环形调谐液柱阻尼器在外壳直径方向上相对的液柱，第二条形液柱是环形调谐液柱阻尼器中与第一条形液柱相邻且在同一侧的相对液柱。详细内容参见上述方法实施例中步骤S103的相关描述，在此不再进行赘述。
水平长度初始化模块104，用于初始化第一条形液柱之间的第一水平长度和第二条形液柱之间的第二水平长度。详细内容参见上述方法实施例中步骤S104的相关描述，在此不再进行赘述。
液体深度计算模块105，用于用于建立环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、第一水平长度、第二水平长度和调谐频率之间的第一数值关系，并基于第一数值关系确定液体深度。详细内容参见上述方法实施例中步骤S105的相关描述，在此不再进行赘述。
其他结构参数计算模块106，用于建立液体质量、液体深度、第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数之间的第二数值关系，并基于第二数值关系确定其他结构参数，其他结构参数包括环形调谐液柱阻尼器的外壳半径、内壳半径、水平通道高度、内壳高度和外壳高度。详细内容参见上述方法实施例中步骤S106的相关描述，在此不再进行赘述。
减振实验模块107，用于将第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数作为阻尼器结构参数开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，得到减振指标。详细内容参见上述方法实施例中步骤S107的相关描述，在此不再进行赘述。
结构参数输出模块108，判断减振指标是否满足预设减振条件，若满足则输出阻尼器结构参数。详细内容参见上述方法实施例中步骤S108的相关描述，在此不再进行赘述。
本发明实施例提供的一种环形调谐液柱阻尼器结构设计装置，用于执行上述实施例提供的一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法，其实现方式与原理相同，详细内容参见上述方法实施例的相关描述，不再赘述。
通过上述各个组成部分的协同合作，
本申请提供的技术方案，首先建立风机塔筒的有限元数值仿真模型，通过对有限元数值仿真模型进行模态分析，确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率以及相应的结构模态质量；然后通过预设质量比值和一阶弯曲自振频率计算环形调谐液柱阻尼器的调谐频率，之后从环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱中确定第一条形液柱和第二条形液柱，并初始化第一条形液柱之间的第一水平长度和第二条形液柱之间的第二水平长度；从而建立环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、第一水平长度、第二水平长度和调谐频率之间的第一数值关系，并基于第一数值关系确定液体深度；之后建立液体质量、液体深度、第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数之间的第二数值关系，并基于第二数值关系计算其他结构参数；并利用第一水平长度、第二水平长度和其他结构参数构成的阻尼器结构参数开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，得到减振指标；当减振指标满足预设减振条件时输出阻尼器结构参数。本发明实施例提供的方案将自研的理论计算与数值仿真进行紧密结合，提高了设计效率也保证了设计精度。采用数值仿真进行风机塔筒与环形调谐液柱阻尼器的整体计算，能够更加准确评估环形调谐液柱阻尼器的减振性能，以满足直接应用于工程实践的需求。
图5示出了本发明实施例的一种环形调谐液柱阻尼器结构设计设备，该设备包括处理器901和存储器902，可以通过总线或者其他方式连接，图5中以通过总线连接为例。
处理器901可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器901还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。
存储器902作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如上述方法实施例中的方法所对应的程序指令/模块。处理器901通过运行存储在存储器902中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的方法。
存储器902可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器901所创建的数据等。此外，存储器902可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器902可选包括相对于处理器901远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器901。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。
一个或者多个模块存储在存储器902中，当被处理器901执行时，执行上述方法实施例中的方法。
上述确定环形调谐液柱阻尼器结构参数的设备具体细节可以对应参阅上述方法实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，实现的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法，其特征在于，所述方法包括：
建立风机塔筒的有限元数值仿真模型，通过对所述有限元数值仿真模型进行模态分析，确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率以及相应的结构模态质量；
通过预设质量比值和所述一阶弯曲自振频率计算环形调谐液柱阻尼器的调谐频率，所述预设质量比值是环形调谐液柱阻尼器中的液体质量与所述结构模态质量之比；
从环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱中确定第一条形液柱和第二条形液柱，所述第一条形液柱是环形调谐液柱阻尼器沿激励方向在外壳直径上相对的液柱，所述第二条形液柱是环形调谐液柱阻尼器中与所述第一条形液柱相邻且在同一侧的相对液柱；
初始化第一条形液柱之间的第一水平长度和第二条形液柱之间的第二水平长度；
建立环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述调谐频率之间的第一数值关系，并基于所述第一数值关系确定所述液体深度；
建立所述液体质量、所述液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和其他结构参数之间的第二数值关系，并基于所述第二数值关系确定所述其他结构参数，所述其他结构参数包括环形调谐液柱阻尼器的外壳半径、内壳半径、水平通道高度、内壳高度和外壳高度；
将所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述其他结构参数作为阻尼器结构参数开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，得到减振指标；
判断所述减振指标是否满足预设减振条件，若满足则输出所述阻尼器结构参数。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，生成的环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述调谐频率之间的第一数值关系如下式：
式中，χ表示频率修正系数，预设χ＝1，η表示横截面积比，预设η＝1，
H1表示所述第一水平长度，H2表示所述第二水平长度，ff表示所述调谐频率，g表示重力加速度。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在所述基于所述第二数值关系确定所述其他结构参数之前，所述方法还包括：
通过下式计算初始长度比p
式中，H1表示所述第一水平长度，V表示所述液体深度；
判断所述初始长度比是否落在[0.5，0.6]范围内；
若没有落在[0.5，0.6]范围内，则重新初始化所述第一水平长度和所述第二水平长度。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，建立的所述第二数值关系包括：mf＝8AVV+AHH1+2AHH2，
式中，mf表示所述液体质量，AV表示某个条形液柱的横截面积，AH代表对应的等效TLCD水平段液柱的横截面积，R1和R2分别表示环形调谐液柱阻尼器的外壳半径和内壳半径，B3表示环形调谐液柱阻尼器的水平通道高度，V表示液体深度；
所述基于所述第二数值关系确定所述其他结构参数，包括：
将所述液体质量、所述液体深度、所述第一水平长度和所述第二水平长度代入所述第二数值关系，计算环形调谐液柱阻尼器的外壳半径、内壳半径和水平通道高度；
通过所述液体深度的预设倍数确定环形调谐液柱阻尼器的外壳高度；
基于所述外壳高度和所述水平通道高度的差值计算环形调谐液柱阻尼器的内壳高度。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
通过所述阻尼器结构参数创建流体动力学模型；
将所述液体深度与预设补偿相加，得到补偿液体深度；
将所述补偿液体深度输入所述流体动力学模型进行自由衰减振动模拟，找到所述调谐频率对应的模拟液体深度；
利用所述模拟液体深度更新所述液体深度的数值；
通过更新后的液体深度和所述液体质量之间的关系修正所述阻尼器结构参数。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：
将更新后的所述液体深度代入式
中，输出新的频率修正系数；式中，χ'表示新的频率修正系数，η表示横截面积比，预设η＝1，
H1表示所述第一水平长度，H2表示所述第二水平长度，ff表示所述调谐频率，g表示重力加速度。
7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述预设补偿等于所述水平通道高度。
8.一种环形调谐液柱阻尼器结构设计装置，其特征在于，所述装置包括：
塔筒仿真模块，用于建立风机塔筒的有限元数值仿真模型，通过对所述有限元数值仿真模型进行模态分析，确定风机塔筒的一阶弯曲自振频率以及相应的结构模态质量；
调谐频率计算模块，用于通过预设质量比值和所述一阶弯曲自振频率计算环形调谐液柱阻尼器的调谐频率，所述预设质量比值是环形调谐液柱阻尼器中的液体质量与所述结构模态质量之比；
等效液柱确定模块，用于从环形调谐液柱阻尼器的竖直段液柱中确定第一条形液柱和第二条形液柱，所述第一条形液柱是环形调谐液柱阻尼器沿激励方向在外壳直径上相对的液柱，所述第二条形液柱是环形调谐液柱阻尼器中与所述第一条形液柱相邻且在同一侧的相对液柱；
水平长度初始化模块，用于初始化第一条形液柱之间的第一水平长度和第二条形液柱之间的第二水平长度；
液体深度计算模块，用于建立环形调谐液柱阻尼器中的液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述调谐频率之间的第一数值关系，并基于所述第一数值关系确定所述液体深度；
其他结构参数计算模块，用于建立所述液体质量、所述液体深度、所述第一水平长度、所述第二水平长度和其他结构参数之间的第二数值关系，并基于所述第二数值关系确定所述其他结构参数，所述其他结构参数包括环形调谐液柱阻尼器的外壳半径、内壳半径、水平通道高度、内壳高度和外壳高度；
减振实验模块，用于将所述第一水平长度、所述第二水平长度和所述其他结构参数作为阻尼器结构参数开展风机塔筒-环形调谐液柱阻尼器的双向流固耦合数值计算，得到减振指标；
结构参数输出模块，判断所述减振指标是否满足预设减振条件，若满足则输出所述阻尼器结构参数。
9.一种环形调谐液柱阻尼器结构设计设备，其特征在于，包括：
存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-7任一项所述的方法。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使计算机执行如权利要求1-7任一项所述的方法。
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|---|---|---|---|
| CN202310247228.XA CN116401778A (zh) | 2023-03-10 | 2023-03-10 | 一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法、装置和设备 |
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| CN202310247228.XA CN116401778A (zh) | 2023-03-10 | 2023-03-10 | 一种环形调谐液柱阻尼器结构设计方法、装置和设备 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117313465A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-29 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 | 一种适用于大兆瓦海上风力机的阻尼器系统及其优化方法 |
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2023
- 2023-03-10 CN CN202310247228.XA patent/CN116401778A/zh active Pending
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117313465A (zh) * | 2023-09-22 | 2023-12-29 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 | 一种适用于大兆瓦海上风力机的阻尼器系统及其优化方法 |
| CN117313465B (zh) * | 2023-09-22 | 2024-04-19 | 中国能源建设集团广东省电力设计研究院有限公司 | 一种适用于大兆瓦海上风力机的阻尼器系统及其优化方法 |
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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