海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析

1、海上浮式风电机组刚柔網合结构动力学建模与分析一彭春江胡燕平程军圣等海上浮式风电机组刚柔耦合结构动力学建模与分析彭春江2 胡燕平2程军圣' 沈意平彳1湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室，长沙,4100822 湖南科技大学，湘潭,411201摘要：基于凯恩方法和模态叠加法对三叶片水平轴海上浮式风电机组进行了刚柔耦合结构动力学 建模和分析。首先建立浮式平台的水动力栽荷模型，然后，把塔架和叶片等柔性件离散为有限个刚性单 元体，并采用模态叠加法计算每一离散单元的偏速度和偏角速度，聂后采用凯恩方法建立刚柔铝合结构 动力学模型。以美国可再生能源实验KNREL）海上5 MW半潜式风电机组为算例

2、，结合气动力教荷 模型和水动力栽荷模型对所建立的模型进行了风、浪响应计算，主要从綸出功率、叶尖及塔顶振动信号 的搞合特性两个方面对海、陆风电机组进行了对比.关镀词：海上浮式风电机组；凯恩方法；模态叠加法;结构动力学建模；刚柔混合多体中图分类号:TK83DOI： 10. 3969/j. issn. 1004-132X. 2016. 04. 007Modeling and Analyses of Rigid-flexible Coupled Structural Dynamicsfor Offshore Floating Wind TurbinesPeng Chunjiang1*2 Hu Yanp

3、ing2 Cheng Junsheng1 Shen Yiping21. State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacturing for Vehicle Body.Hunan UniversitytChangsha»4100822. Hunan University of Science and Technology»Xiangtan»Hunan,411201Abstract： A rigid-flexible coupled structural dynamics model was establishe

4、d for offshore floating wind turbines with three-bladed horizontal-axis-rotor based on Kane method combined with the mode superposition method Firstly» the hydrodynamic load model was determined. Then, the flexible members such as tower and blades of wind turbines were discretized into multiple

5、 rigid unit. Partial velocity and partial angular velocity of each discrete element were expressed by using the mode superposition method Last, the rigid-flexible coupled structural dynamics model was derived based on a- bove work by using Kane method. The dynamic responses of the NREL 5MW offshore

6、baseline wind turbine were calculated using the established model along with the aerodynamic model and the hydrodynamic model. The output powerf coupled characxerisiics of offshore floating wind turbines were compared with onshore's.Key words：offshore floating wind turbine； Kane method? mode sup

7、erposition method； structural dynamics modeling； rigid-flexible hybrid multibody461海上浮式风电机组刚柔網合结构动力学建模与分析一彭春江胡燕平程军圣等461海上浮式风电机组刚柔網合结构动力学建模与分析一彭春江胡燕平程军圣等0引言陆上及浅海风资源开发终会饱和，深海建藏 丰富的风资源，利用浮式风电机组开发深海风资 源是风电行业未来的发展方向。海上浮式风电 机组由浮式平台、塔架、机舱、轮毂、叶片、传动系 统组成。其中，塔架和叶片属细长结构，在动力学 研究中必须视为柔性体。而浮式平台的水动力作 用使得整机系统耦合动力学行

8、为和动态性能分析 更加复杂。因此，必须运用刚柔混合多体动力学 理论及水动力理论来建立海上浮式风电机组刚柔 耦合结构动力学模型，以揭示海上浮式风电机组 整机的复杂耦合振动关系，为海上浮式风电机组 的设计、控制、优化提供理论基础。收稿日期=2015-02-06墓金项目：国家自於科学基金资助项目(51205124.51075131)目前在风电机组动力学建模与分析中X】，大 多针对风电机组局部进行建模，如叶片、塔架、传 动系统等，而对风电机组整机结构动力学建模的 研究较少，特别是针对海上浮式风电机组整机结 构的动力学建模.对于复杂多体系统建模，如果 仅用矢量力学中的牛顿-欧拉法或分析力学中的 虚功原理会使求解很繁琐。而凯恩方法利用广义 速率代替广义坐标描述系统的运动，直接利用达 朗伯原理建立动力学方程，并将矢量形式的力与 达朗伯惯性力