[发明专利]一种地震作用下的海上风机整体耦合分析方法

说明书

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。

技术领域

本发明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领域。

背景技术

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，本发明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。

上述发明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。

发明内容

本发明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。基于该发明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；基于本发明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。

本发明采用的技术方案是：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；