新型被动控制的漂浮式海上风电机结构概念设计与动力分析

摘要

随着新能源在世界范围的快速发展，漂浮式海上风电机的发展受到了越来越多的关注。虽然漂浮式海上风电机有着不少的优势，但其存在所处自然环境十分恶劣而且及其自身漂浮不固定的特点，导致其振动响应较大，从而使漂浮式海上风电机工作不稳定且易发生故障，因此有效地减小漂浮式风电机的振动是非常重要的。目前海上风电研究的重点是设计工程师如何选择减振装置并将其合理有效地应用到海上结构，以将它的振动最小化。　　本文通过理论推导和有限元求解的方法对 spar 型漂浮式风电机的减振装置进行了设计，主要内容和结论如下：　　本文提出了一种新型被动控制的漂浮式海上风电机结构。首先利用哈密顿原理建立了初步的三维动力学模型，在动力学模型中考虑了大转角问题（几何非线性），同时将塔架视为柔性结构，推导得出了新型被动控制的漂浮式海上风电机结构的运动方程（包含13个方程的非线性方程组）。解决了以往漂浮式海上风电机内部TMD质量和运动空间受限（减振效果受限）、理论推导为二维力学模型、基本假设为小转角、塔架为刚体等问题。　　通过ABAQUS有限元建模与实验数据对比即验证了ABAQUS所建模型的可行性。然后利用 ABAQUS 求解了初步力学模型的动力响应，发现减振效果明显，在分析原因之后，对初步的力学模型进行了改进，然后分析了所建新型被动控制的漂浮式海上风力机结构的一系列参数对减振效果的影响，发现了所设计圆柱环质量和圆柱环的浮心位置对减振效果的影响较大。并总结了减振效果随参数变化的规律，当k，c的取值共同由小增大时，横摇和纵摇的减振效果均呈现先增大后减小的趋势，并找出了最佳的k，c设计值。　　通过与以往风力机内部TMD法的减振效果对比，发现本文设计方案的振动控制效果较以往控制方案的控制效果有着非常大的提升，从而使 spar 型漂浮式海上风力机在极端荷载环境的稳定运行变成为可能。

目录

1 绪 论

1.1 选题背景和研究意义

1.2 spar型漂浮式海上风电机振动控制研究进展

1.2.1 研究现状及不足

1.2.2 研究风力发电机常用的分析方法

1.3 本文主要工作

1.4 本章小结

2 初步概念设计及力学模型建立

2.1 初步概念设计

2.2.1 模型简化的假设

2.2.2 几何关系的建立

2.2.3 利用哈密顿原理推导运动方程

2.2.4 最终的运动方程

2.3 本章小结

3 参考实验有限元模型建立及验证

3.1 ABAQUS/Aqua功能简介

3.2 模型单元选取、材料属性及边界条件等

3.3 流体载荷的模拟

3.3.1 海洋载荷的重要性

3.3.2 波浪理论

3.3.3 波浪载荷计算理论

3.3.4 风载荷的影响及计算理论

3.4 建模可靠性

3.5 本章小结

4 结构概念设计的有限元分析

4.1 初步概念设计的有限元分析

4.2 初步概念设计的改进

4.3 弱风浪时改进设计的有限元分析

4.3.1 弹簧刚度?和阻尼器系数?对减振效果的影响

4.3.2 圆柱环质量对现模型减振效果的影响

4.3.3 圆柱环浮心位置对现模型减振效果的影响

4.3.4 现模型（包含所设计的减振装置）的减振效果

4.4 强风浪时改进设计的有限元分析

4.4.1 弹簧刚度?和阻尼器系数?对减振效果的影响

4.4.2 验证模型空间位置上的安全性

4.4.3 圆柱环质量对现模型减振效果的影响

4.4.4 圆柱环浮心位置对现模型减振效果的影响（强风浪情况）

4.4.5 现模型（包含所设计的减振装置）的减振效果

4.5 本章小结

5 总结与展望

5.1 本文的主要研究内容和结论

5.2 展望

参考文献

附录

A 弱风浪情况

B 学位论文数据集

致谢