【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)屬于海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)，尤其涉及一種固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法。
技術(shù)介紹
1、隨著全球工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，對(duì)傳統(tǒng)化石能源的大規(guī)模使用帶來(lái)的環(huán)境問(wèn)題越來(lái)越得到重視，而海上風(fēng)電憑借著發(fā)電效率穩(wěn)定、不受場(chǎng)地限制等優(yōu)勢(shì)逐漸被重視起來(lái)。目前，海上風(fēng)機(jī)正向著更大的葉輪直徑、更高的塔架的方向發(fā)展，且固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)所處的環(huán)境復(fù)雜，有風(fēng)荷載、浪流荷載、地震荷載等。這些荷載同時(shí)作用時(shí)，會(huì)給結(jié)構(gòu)帶來(lái)過(guò)大的動(dòng)力響應(yīng)，甚至造成結(jié)構(gòu)倒塌。因此，研究固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)在多場(chǎng)耦合下的動(dòng)力響應(yīng)很有必要。而現(xiàn)有依賴有限元軟件建模求解的方法有著建模過(guò)程繁瑣、求解時(shí)間過(guò)長(zhǎng)以及求解過(guò)程中可能存在非線性收斂的問(wèn)題，且現(xiàn)有有限元模型難以滿足復(fù)雜環(huán)境荷載施加和控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的模型需求。所謂有限元模型是運(yùn)用有限元分析方法時(shí)建立的模型，是一組僅在節(jié)點(diǎn)處連接、僅靠節(jié)點(diǎn)傳力、僅在節(jié)點(diǎn)處受約束的單元組合體。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專利技術(shù)的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)缺陷，提出了一種固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，本專利技術(shù)還公開(kāi)了一種固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取系統(tǒng)及產(chǎn)品。
2、為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本專利技術(shù)提出了一種固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，包括：
3、步驟1)根據(jù)待測(cè)固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)型號(hào)數(shù)據(jù)，建立初始有限元模型，結(jié)合獲取的實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)，對(duì)初始有限元模型進(jìn)行校正，并基于校正后的有限元模型求解振型函數(shù)；
4、步驟2)求解待測(cè)風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)的動(dòng)
5、步驟3)根據(jù)得到的結(jié)構(gòu)動(dòng)能及勢(shì)能，基于歐拉-拉格朗日方程和基本動(dòng)力學(xué)方程，構(gòu)建質(zhì)量矩陣、剛度矩陣和阻尼矩陣，從而建立降維的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型，求解得到固有頻率值，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力響應(yīng)的獲取。
6、優(yōu)選的，所述步驟1)中待測(cè)固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)型號(hào)數(shù)據(jù)包括：
7、葉片總長(zhǎng)度r、單根葉片質(zhì)量mb、分段長(zhǎng)度、分段質(zhì)量密度拍打向分段抗彎剛度eifp(r)、揮舞向分段抗彎剛度eieg(r)和阻尼比ζb、葉片的三個(gè)方位角ψj(j＝1,2,3)、葉片形狀參數(shù)、葉片截面翼型；
8、包括徑向位置rj、扭角θ、徑向間距l(xiāng)j和弦長(zhǎng)lx和塔筒的形狀參數(shù)；
9、機(jī)艙、輪轂的質(zhì)量mnac、mhub和阻尼比ζjclg；
10、塔筒的總長(zhǎng)度h、分段長(zhǎng)度hi、分段質(zhì)量密度分段抗彎剛度eit(z)和分段抗拉剛度eat(z)、底部壁厚td、底部直徑dd、頂部壁厚tu、頂部直徑du；
11、基礎(chǔ)高度hf、基礎(chǔ)壁厚tf、基礎(chǔ)直徑df、地基平移剛度kxyz及地基轉(zhuǎn)動(dòng)剛度kxphi。
12、優(yōu)選的，所述步驟1)中實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)的獲取包括：
13、在待測(cè)固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)的葉片和塔筒上設(shè)置多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別進(jìn)行振型、固有頻率及阻尼比的監(jiān)測(cè)，得到葉片、塔筒的主振型、固有頻率和阻尼比。
14、優(yōu)選的，所述步驟1)中對(duì)初始有限元模型進(jìn)行校正，包括：
15、基于葉片截面翼型氣動(dòng)特性里的參數(shù)對(duì)葉片進(jìn)行分段建模，對(duì)塔筒部分，根據(jù)底部壁厚td、頂端壁厚tu、底部直徑dd、頂端直徑du和塔筒壁厚及直徑均勻變化的條件建立有限元模型；
16、對(duì)有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，再與獲得的實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)模態(tài)參數(shù)誤差對(duì)有限元模型進(jìn)行校正。
17、優(yōu)選的，所述步驟1)中基于校正后的有限元模型求解振型函數(shù)；包括：
18、對(duì)校正后的有限元模型進(jìn)行模態(tài)分析，分別提取出葉片關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)拍打向和揮舞向、塔筒關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)前后向和側(cè)向主振型的位移與位置坐標(biāo)；
19、對(duì)頂端與根部位移與位置進(jìn)行歸一化處理，即設(shè)定共提取出n個(gè)關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，其位移為y1,y2…yn，其中，y1為根部位移，其值為0，yn為頂端位移，然后分別令關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位移除以yn；設(shè)定位置坐標(biāo)為x1,x2…xn,其中，x1為根部坐標(biāo)，其值為0，xn為頂端坐標(biāo)，即葉片或塔筒的長(zhǎng)度，分別令關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)位置除以xn，得到歸一化后的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)：(x11,y11)，(x12,y12)…(x1n,y1n)；
20、對(duì)上述坐標(biāo)選擇合適的函數(shù)對(duì)其進(jìn)行擬合，得到葉片拍打和揮舞振型函數(shù)表達(dá)式和塔筒振型函數(shù)及
21、優(yōu)選的，所述步驟2)的動(dòng)能t包括葉片動(dòng)能、機(jī)艙和輪轂動(dòng)能、塔筒動(dòng)能及基礎(chǔ)部分動(dòng)能，滿足下式：
22、
23、其中，
24、
25、式中，為葉片沿著r方向的質(zhì)量密度，r為葉片長(zhǎng)度；mnac，mhub分別為機(jī)艙和輪轂的質(zhì)量；為塔筒的長(zhǎng)度質(zhì)量密度；mf，if分別為基礎(chǔ)的質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，hf、tf和df分別為基礎(chǔ)高度、基礎(chǔ)壁厚和基礎(chǔ)直徑；j表示第j個(gè)葉片，vb(r,t)為葉片部分絕對(duì)速度，vnac+hub(t)為機(jī)艙和輪轂部分絕對(duì)速度，vt(z,t)塔筒部分的絕對(duì)速度，和分別為三個(gè)葉片揮舞方向位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；和分別為三個(gè)葉片拍打方向位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；和分別為塔筒側(cè)面、正面和豎向位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；和分別為基礎(chǔ)側(cè)面、正面和豎向位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；和為基礎(chǔ)正面和側(cè)面轉(zhuǎn)角位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)；為塔筒頂端側(cè)面轉(zhuǎn)角位移對(duì)時(shí)間的導(dǎo)數(shù)。為風(fēng)機(jī)葉片基于校正有限元模型得到的揮舞振型函數(shù)；為風(fēng)機(jī)葉片基于校正有限元模型得到的拍打振型函數(shù)；和為風(fēng)機(jī)塔筒基于校正有限元模型得到的兩類振型函數(shù)；ψj為葉片的方位角，其計(jì)算公式為：其中ω為固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的轉(zhuǎn)速；
26、勢(shì)能v包括葉片勢(shì)能vb、塔筒勢(shì)能vt及基礎(chǔ)部分勢(shì)能vjc，滿足下式：
27、v＝vb+vt+vjc
28、其中，
29、
30、式中，eieg(r)為葉片沿著r方向的揮舞抗彎剛度；eifp(r)為葉片沿著r方向的拍打抗彎剛度；fc(r,t)為離心力；fgj(r,t)為作用在距輪轂r處的第j個(gè)葉片上的重力分量；ktx(z)、kty(z)、和ktz(z)分別為塔筒的前后彎曲剛度、側(cè)向彎曲剛度、塔筒頂端轉(zhuǎn)角剛度和豎向抗拉剛度，由塔筒分段抗彎剛度eit(z)和抗拉剛度eat(z)求得；z表示z方向，kxyz為基礎(chǔ)平移剛度；kxyphi為基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)剛度。
31、優(yōu)選的，所述步驟3)質(zhì)量矩陣的構(gòu)建過(guò)程包括：
32、將動(dòng)能t代入歐拉-拉格朗日方程，整合后得到質(zhì)量矩陣m：
33、
34、質(zhì)量矩陣式m為對(duì)稱矩陣，右上半部分元素的計(jì)算表達(dá)式如下所示：
35、
36、m1414＝3mb+mnac+mhub+mf,m1314＝3mb+mnac+mhub，
37、
38、
39、優(yōu)選的，所述步驟3)剛度矩陣的構(gòu)建過(guò)程包括：
40、將勢(shì)能v代入歐拉-拉格朗日方程，整合后得到剛度矩陣k：
41、
42、剛度矩陣k中各元素的計(jì)算表達(dá)式如下所示：
43、
44、
45、優(yōu)選的，所述步驟3)阻尼矩陣的本文檔來(lái)自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
1.一種固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟1)中待測(cè)固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)型號(hào)數(shù)據(jù)包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟1)中實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)的獲取包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟1)中對(duì)初始有限元模型進(jìn)行校正，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟1)中基于校正后的有限元模型求解振型函數(shù)；包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟2)的動(dòng)能T包括葉片動(dòng)能、機(jī)艙和輪轂動(dòng)能、塔筒動(dòng)能及基礎(chǔ)部分動(dòng)能，滿足下式：
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟3)質(zhì)量矩陣的構(gòu)建過(guò)程包括：
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟3)阻尼矩陣的構(gòu)建過(guò)程包括：
10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟3)的降維的海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)模型滿足下式：
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，包括：
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟1)中待測(cè)固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)相關(guān)型號(hào)數(shù)據(jù)包括：
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟1)中實(shí)測(cè)模態(tài)參數(shù)的獲取包括：
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟1)中對(duì)初始有限元模型進(jìn)行校正，包括：
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的固定式海上風(fēng)力發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)動(dòng)力響應(yīng)獲取方法，其特征在于，所述步驟1)中基于校正后的有限元模型求解振型函數(shù)；包括：
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的固定式海...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：李志軍，謝琛，李雪華，王亞楠，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：西安工業(yè)大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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