一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法技术

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。

【技术实现步骤摘要】
一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法
本专利技术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

技术介绍
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，本专利技术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。上述专利技术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。
技术实现思路
本专利技术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。基于该专利技术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；基于本专利技术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。本专利技术采用的技术方案是：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FASTV8.0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FASTV8.0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FASTV8.0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，本专利技术至少具有以下优点：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专利技术技术方案的概述，为了更为详细和清楚地介绍本专利技术的关键技术手段，以下附图和具体实施方式对本专利技术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。具体实施方式本专利技术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FASTV8.0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FASTV8.0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{xt}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；{faero},{fhydro}和{fseismic}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：{Taero}本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。...

【技术特征摘要】
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FASTV8.0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FASTV8.0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...

【专利技术属性】
技术研发人员：李颖，李昕，王文华，方通通，王滨，
申请(专利权)人：浙江科技学院，大连理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33