利用新型调谐质量阻尼器减轻桁架式海上浮动风力涡轮机的振动

《Ocean Engineering》：Vibration mitigation of spar-type floating offshore wind turbines utilizing a novel pounding tuned mass damper

浮式海上风力涡轮机塔架侧向振动抑制研究提出新型双锤击双调谐质量阻尼器（DPDTMD），通过欧拉-拉格朗日方法与多体动力学建立理论模型，并与经典STMD、DTMD等对比。数值结果表明DPDTMD在抑制塔架侧向振动峰值谱和拓宽调谐范围方面优于STMD，同时将吸收器位移限制在DTMD以下，但需平衡振动抑制效果与吸收器位移的矛盾。研究考虑了气动阻尼的影响，采用频域与时域结合的混合优化算法，验证了新型阻尼器的有效性。

　　随着全球对可再生能源需求的不断增长，海上风能作为一种清洁、可持续的能源形式，正逐渐成为研究的热点。特别是对于深海区域，浮动式海上风力发电机（Floating Offshore Wind Turbine, FOWT）因其能够适应较深水域而被广泛采用。然而，随着风力机叶片尺寸的增大和塔架高度的提升，FOWT的结构变得更加柔性，这使得其在风荷载作用下会产生更大的动态响应，进而影响运行稳定性和使用寿命。因此，如何有效控制FOWT的振动，成为当前研究的重要课题。

在众多振动控制技术中，调谐质量阻尼器（Tuned Mass Damper, TMD）因其结构简单、无需外部能源供应、对系统具有良好的适应性等优点，被广泛应用于风力发电机的减振研究。传统的TMD通常为单自由度（Single Degree of Freedom, 1-DOF）系统，其减振效果依赖于阻尼器的频率与被保护结构的频率匹配程度。然而，当结构的刚度发生变化时，这种匹配可能会偏离最佳值，从而导致减振效果不佳。为此，研究者提出了多自由度调谐质量阻尼器（Multiple Tuned Mass Damper, MTMD），通过调整多个阻尼器的频率，使其覆盖被保护结构的多个振动模态，从而提高系统的减振能力。MTMD的优化参数对减振效果具有重要影响，合理的频率比和阻尼比能够显著提升其性能。

在MTMD的结构设计中，阻尼器既可以并联也可以串联。并联型MTMD中的各个阻尼器相互独立，而串联型MTMD则由多个阻尼器依次连接组成。研究表明，串联型MTMD在某些情况下表现优于并联型，尤其是在多自由度振动控制方面。因此，串联型MTMD也被称为双调谐质量阻尼器（Dual Tuned Mass Damper, DTMD）。DTMD通常由两个质量块组成，其中一个作为主阻尼器，直接连接到被保护结构上，另一个作为次级阻尼器，用于进一步优化减振效果。通过合理调整DTMD的频率比和阻尼比，可以有效降低塔架的振动幅度，同时扩大频率调节范围，提高系统的鲁棒性。

然而，传统的DTMD在某些情况下仍存在局限性。例如，次级阻尼器在DTMD中可能会产生较大的位移，这不仅影响系统的稳定性，还可能对结构造成额外的疲劳损伤。因此，有必要引入一种新型的双击双调谐质量阻尼器（Dual Pounding Dual Tuned Mass Damper, DPDTMD），通过在阻尼器中增加碰撞元件，以限制次级阻尼器的位移，提高系统的整体减振性能。DPDTMD的设计理念是将碰撞与调谐相结合，使其在保持良好减振效果的同时，减少对结构的额外冲击。这种结构不仅能够有效抑制塔架的侧向振动，还能够通过合理的参数设置，降低阻尼器的运动幅度，从而延长结构的使用寿命。

为了评估DPDTMD的性能，研究者还开发了其他几种类型的被动阻尼器，包括单击调谐质量阻尼器（Pounding Single Tuned Mass Damper, PSTMD）、双调谐质量阻尼器（DTMD）以及双击调谐质量阻尼器（Pounding Dual Tuned Mass Damper, PDTMD）。这些阻尼器的性能在不同工况下进行了对比分析。结果显示，DPDTMD在抑制塔架侧向振动方面表现优于传统的STMD，同时相较于DTMD，其能够有效限制阻尼器的运动幅度，降低最大位移。这表明，在设计和应用DPDTMD时，需要在最大减振效果与最小位移之间寻求平衡。

在实际应用中，风力发电机的减振效果不仅受到阻尼器性能的影响，还与环境因素密切相关。例如，风速、风向、波浪高度和周期等参数都会对塔架的动态响应产生影响。研究者通过数值模拟的方法，对这些环境因素进行了分析。结果表明，风速越高，塔架的侧向振动越明显，而风向与塔架之间的夹角也会影响振动的传播路径。因此，在设计DPDTMD时，需要充分考虑这些环境因素，并结合实际运行条件，优化阻尼器的参数设置。

此外，风力发电机的气动阻尼（Aerodynamic Damping）在减振过程中也起着重要作用。研究表明，气动阻尼在塔架的迎风方向上具有一定的抑制作用，而在侧向方向上则较为微弱，甚至可能为负值。因此，在侧向方向上的振动控制尤为重要。通过引入DPDTMD，可以有效提高塔架在侧向方向上的减振能力，同时减少对结构的额外冲击。这种结构不仅能够提高系统的稳定性，还能够延长风力发电机的使用寿命。

为了建立DPDTMD的理论模型，研究者采用了欧拉-拉格朗日方法（Euler-Lagrange Method）和多体动力学方法（Multibody Dynamic Method）。这些方法能够准确描述FOWT的动态行为，包括塔架、叶片、支撑平台和锚定系统等部分的相互作用。通过建立完整的理论模型，研究者能够系统地分析不同阻尼器的性能，并评估其在不同工况下的减振效果。同时，为了验证模型的准确性，研究者还使用了OPENFAST软件对未加阻尼器的FOWT模型进行了仿真分析，确保模型能够真实反映实际运行情况。

在优化DPDTMD的参数设置时，研究者采用了一种混合优化方法，结合了频率域和时域中的全局搜索算法，以及遗传算法（Genetic Algorithm, GA）。这种方法能够有效地在众多可能的参数组合中找到最优解，从而提高DPDTMD的减振性能。通过数值模拟的方法，研究者对不同参数组合进行了分析，结果表明，合理的频率比和阻尼比能够显著提高DPDTMD的减振效果，同时减少阻尼器的运动幅度，提高系统的鲁棒性。

在实际应用中，DPDTMD的设计需要综合考虑多个因素，包括塔架的刚度、阻尼器的频率比、阻尼比以及碰撞力模型的参数设置。通过合理选择这些参数，可以有效提高DPDTMD的减振性能，同时减少对结构的额外冲击。此外，还需要考虑风力发电机的运行环境，如风速、风向、波浪高度和周期等参数，以确保DPDTMD能够在不同工况下保持良好的减振效果。

研究者还对不同类型的被动阻尼器进行了对比分析，包括PSTMD、DTMD和PDTMD。结果显示，DPDTMD在抑制塔架侧向振动方面表现优于传统的STMD，同时相较于DTMD，其能够有效限制阻尼器的运动幅度，降低最大位移。这表明，在设计和应用DPDTMD时，需要在最大减振效果与最小位移之间寻求平衡。此外，还需要考虑碰撞力模型的参数设置，以确保阻尼器与被保护结构之间的碰撞能够被准确描述，并且不会对结构造成额外的损害。

综上所述，DPDTMD作为一种新型的被动阻尼器，具有较高的减振性能和良好的适应性。通过合理选择参数，可以有效提高其在不同工况下的减振效果，同时减少对结构的额外冲击。在实际应用中，DPDTMD的设计需要综合考虑多个因素，包括塔架的刚度、阻尼器的频率比、阻尼比以及碰撞力模型的参数设置。通过建立完整的理论模型，并采用混合优化方法进行参数优化，可以确保DPDTMD能够在实际运行中发挥最佳的减振效果。此外，还需要考虑风力发电机的运行环境，如风速、风向、波浪高度和周期等参数，以确保DPDTMD能够在不同工况下保持良好的减振性能。