海上浮式风机整机刚柔混合多体系统的动力学建模方法研究

The integrated dynamic modelling of the rigid-flexible multibody system of floating offshore wind turbine is of great importance for the design, optimization,and control phase. Flexible multibody dynamics is applied to model the integrated wind turbine in this proposal. Considering its dynamic characteristics, such as the rigid body motion of the floating supporting structure, the large rotation and hysteresis effects of the soft mooring lines, the geometric stiffening effect of the blades, and the high-orde coupled vibration between the blades and the tower, the system complete dynamic modelling method is studied. The advanced modelling method is based on the absolute nodal coordinate method (ANCF), and verified by different model comparision and experiment research. This proposal convers the following aspects of dynamic modelling: the kinemtaic analysis and description of the integrated system betweent the rigid and flexible parts, the new ANCF finite element and elastic forces derivation for the tapered blades, the tower, and the tensioned mooring lines, the dynamic characters of the rigid and flexible boundary conditions and the constraint formulation, and the description of the glable equations assembly of the rigid and flexible parts. Based on the global equation of motion, the time and frequency domation characteristics can be obtaioned by numerical calculation, and the coupled complicated vibration can be completely discovered. The proposed research plays an important role for the optimal design of floating offshore wind turbine, and is meaningful for theory development and application of flexible mutlibody dynmaics.

海上浮式风机整机刚柔混合系统的动力学建模是其设计、优化与控制中急需解决的关键问题。项目运用柔性多体动力学理论，通过理论建模、模型对比和实验研究相结合，全面考虑浮式基础的刚体运动、拉索的大变形与迟滞特性、叶片刚柔耦合效应、叶片和塔架高阶模态耦合等耦合因素，提出整机刚柔混合系统完整的动力学建模方法。研究内容包括：整机系统中刚/柔部件的运动学性态与描述方法；叶片、塔架变截面结构的基于绝对节点坐标方法(ANCF)的单元模型和弹性力计算方法；张紧力作用下柔性拉索基于ANCF单元模型和动力学方程；刚/柔界面的动力学特性和系统的运动学约束方程；集成建立整机刚柔混合系统的动力学模型，通过数值计算研究上述因素对整机动力学行为的影响规律，进而从全局系统出发分析并揭示系统耦合振动机理。项目研究成果将为海上浮式风机的研发提供动力学分析的基础理论和方法，同时也将丰富和发展柔性多体动力学的理论研究与应用。

海上浮式风机浮式基础的大幅度运动、叶片和塔架的大柔性以及缆索的非线性动力学特性，使得其动力学特性远比陆上和海上固定式风机复杂，是设计与研发阶段亟需解决的关键问题。项目围绕载荷计算与整机动力学分析，研究其气动力-水动力-结构动力学耦合振动机理，将为海上浮式风机设计、制造和维护提供理论依据与分析方法，包括如下四个方面内容：. (1) 海洋环境下水/气动力学载荷计算.由于浮式基础存在大幅度运动，基于叶素-动量理论及其修正方法，提出了漂浮运动作用下叶片气动载荷的计算方法，深入分析了不同运动形式对其气动特性的影响，研究表明纵摇运动对功率波动的影响最大；基于三维势流理论，结合波高时程，提出了基于二次脉冲响应函数法的二阶水动力载荷计算方法，载荷计算结果更接近试验测试数据。.(2) 关键部件动力学建模与振动特性分析.考虑叶片多闭室薄壁结构存在的翘曲效应，基于Kirchholl-Love薄壁板理论推导了叶片截面弯扭参数的计算方程，提出了一种基于力平衡的适于叶片和塔筒的三维变截面梁单元，为整机简化建模提供了高效准确的新型梁单元；叶轮在运行过程中产生的推力、弯矩等非扭矩载荷将加速齿轮箱过早失效，采用ADAMS软件建立了齿轮传动系统的刚柔耦合动力学模型，研究了非扭矩载荷对其振动响应特性的影响。.(3) 整机刚柔耦合结构动力学建模与响应特性分析.基于凯恩方法和模态叠加法建立了海上浮式风机整机刚柔耦合动力学模型，结合水动和气动载荷模型进行运动响应分析；采用多刚体法描述缆索的非线性动力学特性，基于ADAMS软件建立了包含缆索的整机动力学模型；分析了不同海况下整机耦合振动特性，研究表明二阶水动力载荷的慢漂力和平均漂移力对整机振动响应有着显著影响。.(4) 系泊缆索动张力分析.系泊缆索处于松弛-张紧交替状态将产生过大的动张力，讨论了缆索张紧-松弛状态的影响因素，建立了缆索垂荡运动方程并计算了不同海况下缆索动张力变化规律，分析表明缆索施加合理的预张紧力可以降低其动张力；基于包含缆索的整机动力学模型，研究了风浪载荷下缆索的动张力特性，并提出了一种系泊缆索断裂失效预报方法。.研究成果在《Precision Engineering》、《计算力学学报》等国内外重要期刊发表(录用)论文7篇，正在审稿2篇，国际学术会议论文3篇；申请国家专利8项，其中授权发明1项，实用新型5项；培养研究生7人。