基于多体耦合的海上浮式基础风机系统的动力特性研究

The dynamics characteristics are studied for a new style floating foundation of the offshore wind turbine based on the multi-body model and theory of the multi-body dynamics. The coupled model of blade-nacelle-tower-floating platform-mooring system is built. Considering aerodynamic loads, first and second-order wave forces, the prediction theory and method of fully coupled dynamic responses are studied; the study of local structural inherent characteristic is conducted to analyze the relation between local and global inherent characteristics and the effect of the external loads, as well as the interaction of local and global resonance; according to the nonlinear dynamics theory, the conditions that sub-harmonic resonance, combination resonance, amplitude jump and stability lost taking place in extreme environment are studied. This application will present the prediction model and the analysis method of the fully coupled dynamic responses of offshore wind turbines, develop a simulation tool that can model the coupled multi-body motion of offshore wind turbines, reveal the nonlinear dynamic characteristics and failure mechanism of the new Spar-type floating platform for wind turbines, and provide dynamics conditions of stability lost in different sea states. These results will provide a more reasonable model and theory for the prediction of the dynamic responses of offshore wind turbine. This research will lay an important theoretical foundation for the dynamic optimization design and survivability evaluation for the offshore wind turbine under the severe sea states.

本项目针对新型浮式基础风机系统，基于多体耦合模型和多体动力学的理论研究其动力学特性。建立叶片-发电舱-塔柱-浮式基础-系泊线耦合的分析模型，考虑气动力、波频力、二阶波浪力作用，研究风机系统全耦合的动力响应预报理论与方法；研究风机局部结构固有特性的分析方法，分析局部结构与风机整体结构固有振动特性以及外载荷之间的关系，研究局部谐振与整体谐振之间的相互影响；依据非线性动力学理论，考虑极端海洋环境，研究风暴自存工况风机的亚谐共振、组合共振、幅值运动跳跃以及运动失稳发生的条件。本成果提出风机全耦合动力响应预报模型和分析方法，开发出风机系统多体全耦合模型的动力响应预报分析程序，揭示新型Spar型浮式基础风机复杂海况下的非线性动力学特性及失效机理，给出不同海况下风机系统失效的动力学条件。这将为浮式基础风机运动预报提供更为合理的模型和预报方法，为风机系统动力优化设计和生存能力评估奠定重要理论基础。

风能已经成为二十一世纪重要的能源形式之一，采用浮式基础风力机是目前海上风力发电重要的研究和发展方向。海上浮式风力机结构高达数百米，遭受环境载荷及作业载荷作用，尤其台风等极端载荷作用，极易发生重大事故，本项目针对浮式风力机刚柔模型，研究耦合动力响应特性及全生命周期的失效机理，是海洋工程领域的前沿科学问题。.本研究提出了新型Truss Spar型浮式风力机概念，进一步优化结构的阻尼特性，浮式风力机的抗风浪能力大幅提升。针对本研究提出的新型海上浮式风力机结构，考虑波面升高和浮式基础主体的排水体积的时变效应，建立了浮式基础垂荡-横摇-纵摇多自由度耦合非线性耦合关系，提出了气动-水动-系泊耦合非线性耦合动力响应分析模型，研究风力机全耦合分析模型建立及运动预报方法，开发风力机刚柔耦合动力响应预报程序，考虑气动载荷、非线性水动力载荷、系泊系统载荷以及涡激载荷，分别对Spar型、半潜型、TLP型以及新型Truss Spar浮式风力机系统在风浪联合作用下的平台运动、气动载荷、系泊载荷等动力特性进行了研究，发现了运动与环境载荷之间的非线性耦合关系，确定了二阶波浪载荷、海流、畸形波等复杂海洋环境条件对于风力机动力响应的影响，揭示了不同环境载荷以影响浮式风力机系统的动力特性，研究了作业、极限自存等海况下风力机系统的动力响应特性。.针对浮式风力机常见故障，研究风力机的故障状态的动力响应，提出了故障动力学的概念。针对发电海况作业环境条件下，浮式风力机单根系泊缆突然发生断裂、桨距角调节控制系统失效等故障条件，研究风力机系统的动力响应，揭示了风力机故障发生瞬间采取不同紧急制动措施后浮式基础的运动、系泊缆内的张力、风力机的气动性能等系统动力响应。通过该研究工作，揭示了系泊缆破损、控制系统失效等情况下浮式风力机系统风险与损伤机理。