基于双稳态质量阻尼器的浮式风力机结构振动控制研究

Compared with on-land wind turbines, offshore wind turbines are subjected to harsh and complicated sea environment such as waves, currents, ices etc. This will induce both excessive structure motions and significant fatigue loads acting on the tower and blades. Consequently, the construction, operation, and maintenance cost of offshore wind farms is much larger than that of its on-land counterpart. In order to reduce vibrations of offshore floating wind turbines, a nonlinear bi-stable mass damper (BMD) is proposed to implement structural control. First, the theoretical study on the dynamic response of a single DOF system coupled with BMD will be carried out. This study aims to clarify the working mechanism of this damper. Then, the fully coupled dynamic model covering wind turbine-platform-mooring-BMD system will be established to investigate the proposed structural control. In this dynamic model, the wave load will be obtained by using a fully nonlinear potential-theory-based numerical wave tank. A novel hybrid boundary element method coupled with acceleration-potential method is used to solve the formulated boundary value problems. After validation, the number model will be applied to simulate the dynamic response of a barge-type NREL 5MW offshore floating wind turbine with BMD under both normal and extreme conditions. The performance of the structural control based on BMD can be assessed by vibration reductions. This study can give theoretical and technical support to the vibration reduction of offshore floating wind turbines.

浮式风力机受到复杂海洋环境荷载的作用，导致结构容易产生过大振动并在塔架根部等关键部位承受较大的疲劳载荷，威胁风力机的安全稳定运行并显著增加浮式风力机的建设、运营和维护成本。本项目提出利用被动式双稳态质量阻尼器（BMD）实现对浮式风力机的结构振动控制。通过理论分析，深入研究BMD-单自由度系统耦合作用的动力响应特性，揭示BMD的基本结构振动控制机理。随后，基于孤立Rankine源-常数元边界积分方程，研究一种动网格技术和网格插值技术，结合加速度势方法构建全非线性数值波浪水池，以阐明浮式风力机-BMD系统与波浪的非线性耦合作用机制。基于以上非线性水动力模型，建立复杂环境下浮式风力机-BMD多自由度系统耦合动力响应机制，利用验证后的数值模型评估BMD的结构振动控制特性，获得不同工况下BMD的最优结构配置。本项目的研究可为浮式风力机的振动控制提供理论指导和技术支持，具有重要的应用价值

浮式风力机必须能承受深海环境中复杂海洋环境荷载的作用，由于风浪等环境荷载具有较强的动态特性，浮式风力机的某些关键组件会产生显著振动。为提高浮式风力机的可靠性，本项目提出一种基于双稳态质量阻尼器的浮式风力机结构振动控制方法。为揭示BMD的基本结构振动控制机理，先采用理论分析方法研究了耦合BMD的单自由度系统的动力特性，分析了BMD内部结构参数（质量、弹簧刚度、阻尼、弹簧原长、弹簧固定点间距）及外部波浪激振力频率和幅值对BMD能量吸收特性的影响机制。随后，采用基于匹配特征值函数展开法的理论分析方法、基于势流对偶边界元方法的数值方法及基于OpenFoam的全非线性数值波浪水槽等多种方法来预报波浪荷载。另外，本项目还基于集中质量法建立了的深海系泊动态张力计算模型。利用理论分析方法或参考文献中的计算结果对所建立的波浪荷载数值模型及系泊张力计算模型的准确性进行了验证。最后，建立了复杂海洋环境下浮式风力机-BMD多自由度耦合动力学模型，揭示了BMD对不同参数波浪作用下浮式结构物动力特性的非线性影响规律及其振动控制性能。基于该项目的研究，项目组建立了浮式风力机整机动力学数值仿真模型，开发了波浪荷载、系泊张力的计算模型，参加了相关的国内学术交流活动，发表SCI检索论文4篇，其他论文5篇，培养硕士5名，各项成果指标达到项目研究预期。项目研究成果可为浮式风力机的非线性波浪荷载评估提供研究参考，可为其他浮式结构物与波浪的相互作用分析提供借鉴；同时，项目的基于集中质量法的系泊张力计算方法研究有助于提高浮式风力机系泊系统设计的准确性；另外，项目提出的基于BMD的浮式风力机结构振动控制方法，为浮式风力机系统的减振降载提供了新的思路，有助于提升浮式风力机的系统可靠性。