考虑液-固耦合效应的海上风力发电塔子结构混合试验研究

Marine engineering and structures such as offshore wind turbines are subject to potentially extreme loadings such earthquakes, typhoon, tsunami and wave loadings. As a result the performance of the structure is difficult to study using traditional testing methods. This project aims to study offshore wind turbine performance by using the substructure hybrid test method, and will focus on solving the simulation problems of the fluid-structure coupling effects. We propose an actuator dynamic force control method which combined with the sliding mode control and the adaptive time delay compensation can be used to simulate the fluid-structure coupling effect. In addition we will develop multi-degree-of-freedom adaptive time delay compensation to realize the force-displacement dynamic coordinate control to guarantee to the coordination of the substructure boundary. This is used in combination with the shaking table online iteration control method, which is developed to guarantee the control accuracy of the shaking table under multiple loads. Building a fast-numerical calculation model will enable us to include a soil structure interaction model and fluid-structure coupling model, and establish the multi-hazard coupling simulation substructure hybrid test platform. At the end, the substructure hybrid test will be conducted to verify the performance of the platform with the aim to solve the dynamic catastrophe problem of the offshore wind turbine under the earthquake-wave-wind load, and the performance of the offshore wind turbine under multi-hazard coupling conditions. This project will solve the key scientific issues about the application of the substructure hybrid test to the tsunami and wind engineering, and will have potential significance for the study of the structure with multi-load effect in other application areas, such as aerospace engineering.

海洋工程结构如海上风力发电塔受到地震、台风、海啸及波浪潮等灾害的耦合作用，传统试验手段难以对其性能进行研究。本项目采用子结构混合试验手段对海上风力发电塔进行研究，重点解决液固耦合效应的模拟这一关键性难题。提出以滑动模态控制方法与自适应补偿控制为核心的作动器动态力控制方法，实现液固耦合效应的模拟，发展多自由度自适应时滞补偿实现力-位移动态协调控制来保证子结构边界的协调，开发振动台在线迭代控制技术保证多荷载作用下振动台控制精度，构建包含土-结构相互作用和液固耦合效应模型的快速数值求解模型，建立多灾害耦合模拟的子结构混合试验系统。最后，针对海洋风电塔在地震-浪-风荷载作用下的动力灾变问题，进行子结构混合试验来验证平台的性能，并研究海洋风力发电塔在多灾害耦合作用下的性能。本课题的研究将解决子结构混合应用到海啸、风工程等领域的关键科学问题，对海洋工程、航空航天工程中结构多荷载效应研究也具有借鉴意义。

项目针对考虑液固耦合的多灾害耦合作用的子结构混合试验技术进行研究。建设以液固耦合效应模拟为核心的子结构混合试验系统，发展以滑动模态控制方法与自适应补偿控制为核心的动态力控制方法，实现液固耦合效应边界条件的模拟，从而模拟制海洋风电平台在复杂动力环境下的灾变过程。.项目研究方法创新：一、提出了结合比例积分控制的修正牛顿迭代方法来求解几何非线性和非线性刚度变换问题，基于这一方法构建了柔性多自由度力-位移混合控制方法框架，并将其应用在钢柱三自由度循环往复试验和曲线桥梁六自由度子结构混合试验中；二、针对动态加载时滞问题，提出了自适应时间序列+最小高斯控制补偿方法与结合滑动模态的离散模型自适应补偿方法，进行多自由度时滞补偿，并应用在磁浮车辆单电磁铁三自由度振动台子结构试验中和八台阵实时混合试验的时滞补偿仿真中；三、在其基础上，在实时混合试验框架内提出并开发了两自由度动力边界加载装置，应用在风力发电塔的实时混合试验中；四、针对实时混合试验的稳定性问题，提出了基于伯德图的相对稳定性分析方法，应用于非线形实时混合试验的鲁棒性和稳定性分析；五、提出了多自由度解耦离线迭代控制方法进行振动台试验边界条件模拟；六、提出了大型双层振动台分频迭代控制方法和高精度振动台在线迭代控制方法，来保证振动台-试件系统的波形在线精度；七、针对大吨位加载设备速度限制，发展了离线迭代控制方法，进行了北京新机场航站楼混合试验研究。.最后，搭建了海上风力发电塔实时混合试验平台，进行了考虑流-固耦合的海上浮式风力发电塔实时混合试验，并通过风力发电塔混合实验，验证了一种新型调谐质量阻尼器减震（振）的有效性。其它应用：一、时滞补偿和稳定性分析方法应用在高速列车车桥耦合振动研究中，成功地进行了单电磁铁三自由度振动台实时混合试验和高铁车桥耦合振动实时混合试验。二、应用在超高层建筑振动问题中，实时混合试验复现了深圳赛格大厦异常振动。