基於多體耦合的海上浮式基礎風機系統的動力特性研究

《基於多體耦合的海上浮式基礎風機系統的動力特性研究》是依託天津大學，由唐友剛擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於多體耦合的海上浮式基礎風機系統的動力特性研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：唐友剛
• 依託單位：天津大學

項目摘要

本項目針對新型浮式基礎風機系統，基於多體耦合模型和多體動力學的理論研究其動力學特性。建立葉片-發電艙-塔柱-浮式基礎-系泊線耦合的分析模型，考慮氣動力、波頻力、二階波浪力作用，研究風機系統全耦合的動力回響預報理論與方法；研究風機局部結構固有特性的分析方法，分析局部結構與風機整體結構固有振動特性以及外載荷之間的關係，研究局部諧振與整體諧振之間的相互影響；依據非線性動力學理論，考慮極端海洋環境，研究風暴自存工況風機的亞諧共振、組合共振、幅值運動跳躍以及運動失穩發生的條件。本成果提出風機全耦合動力回響預報模型和分析方法，開發出風機系統多體全耦合模型的動力回響預報分析程式，揭示新型Spar型浮式基礎風機複雜海況下的非線性動力學特性及失效機理，給出不同海況下風機系統失效的動力學條件。這將為浮式基礎風機運動預報提供更為合理的模型和預報方法，為風機系統動力最佳化設計和生存能力評估奠定重要理論基礎。

結題摘要

風能已經成為二十一世紀重要的能源形式之一，採用浮式基礎風力機是目前海上風力發電重要的研究和發展方向。海上浮式風力機結構高達數百米，遭受環境載荷及作業載荷作用，尤其颱風等極端載荷作用，極易發生重大事故，本項目針對浮式風力機剛柔模型，研究耦合動力回響特性及全生命周期的失效機理，是海洋工程領域的前沿科學問題。 本研究提出了新型Truss Spar型浮式風力機概念，進一步最佳化結構的阻尼特性，浮式風力機的抗風浪能力大幅提升。針對本研究提出的新型海上浮式風力機結構，考慮波面升高和浮式基礎主體的排水體積的時變效應，建立了浮式基礎垂盪-橫搖-縱搖多自由度耦合非線性耦合關係，提出了氣動-水動-系泊耦合非線性耦合動力回響分析模型，研究風力機全耦合分析模型建立及運動預報方法，開發風力機剛柔耦合動力回響預報程式，考慮氣動載荷、非線性水動力載荷、系泊系統載荷以及渦激載荷，分別對Spar型、半潛型、TLP型以及新型Truss Spar浮式風力機系統在風浪聯合作用下的平台運動、氣動載荷、系泊載荷等動力特性進行了研究，發現了運動與環境載荷之間的非線性耦合關係，確定了二階波浪載荷、海流、畸形波等複雜海洋環境條件對於風力機動力回響的影響，揭示了不同環境載荷以影響浮式風力機系統的動力特性，研究了作業、極限自存等海況下風力機系統的動力回響特性。 針對浮式風力機常見故障，研究風力機的故障狀態的動力回響，提出了故障動力學的概念。針對發電海況作業環境條件下，浮式風力機單根系泊纜突然發生斷裂、槳距角調節控制系統失效等故障條件，研究風力機系統的動力回響，揭示了風力機故障發生瞬間採取不同緊急制動措施後浮式基礎的運動、系泊纜內的張力、風力機的氣動性能等系統動力回響。通過該研究工作，揭示了系泊纜破損、控制系統失效等情況下浮式風力機系統風險與損傷機理。