海上大型风机整体安装柔性对接与阻尼控制研究

Offshore wind power with its unique advantages is becoming an important part of our sustainable development strategy. However, due to the particularity of the marine environment, offshore installation of the turbine has become the main technical bottlenecks that limit the offshore wind farm construction. Especially, the requirements of the whole installation of flexible docking are one of the key technical issues. This project considers the installation process of offshore wind turbine as a whole. The methods of multi-body dynamics are used to build a coupled model for space motion of the crane ship-wind turbine. Besides waves and wind, many factors are considered to study the impact of the wind turbine movement, for example, the structure of floating crane, stretching of flexible sling, the layout of the hanging point, the shape of wind turbine, and collision between the wind turbine tower and sea base platform. It is in order to describe the dynamic characteristics of the wind turbine in the docking process as accurately as possible. Then, the vibration isolation theory is used to study the buffer in case of massive and repeated shock. A theoretical hydraulic shock absorber model with damping control and fast reset function is proposed. This research will provide the necessary theoretical basis and strong technical support for the whole installation technology of offshore wind turbine.

海上风电以其独特的优势正逐渐成为我国可持续发展战略的重要组成部分。但由于海上环境的特殊性，风机的海上安装已经成为限制海上风电场建设的主要技术瓶颈，尤其是整体安装中的柔性对接要求，更是其中的关键技术问题。本项目将海上大功率风机的安装过程作为一个整体来考虑，利用多体动力学的方法建立起重船-风机的空间耦合运动模型，除海浪和风速的影响之外，还充分考虑起重船结构、柔性吊索的伸缩、吊点的布置、风机自身形状，以及风机塔筒与海上基础平台之间的碰撞作用等因素对风机运动的影响，以期尽可能准确描述风机在对接过程中的动态特征。在此基础之上，利用冲击隔振理论，研究在大质量和反复冲击情况下的缓冲隔振方法，提出基于阻尼控制并具有快速复位功能的液压缓冲器的理论设计模型。研究成果将为我国海上风电整体安装技术的发展提供必要的理论基础和有力的技术支持。

风能是一种清洁的永续能源，合理的利用和开发风能是解决我国目前存在的能源紧张和环境压力问题的有效途径。由于海上环境的特殊性，海上风电场建设工程中存在比陆上风电更多的技术难题需要攻克，其中海上风机安装是海上风电场建设中最突出的难点之一。海上风机在安装过程中，由于起重船在海洋中的摇荡运动使得风机不可避免的产生晃动，这种晃动可能造成风机与海上基础平台的碰撞甚至多次碰撞，而造成风机损坏。因此，设计满足在海上恶劣环境下风机安装的软着陆系统成为一个亟待解决的问题。. 本课题首先研究了大质量海上风机在吊装过程中的动力学特性。建立的起重船-风机吊物系统耦合模型不仅考虑了船体在海面上的纵荡、横荡、升沉、横摇、纵摇和首摇，还考虑了风机的面内外摆角以及吊索的弹性变形。计算分析了起重船以及风机在不同外界激励下的动态响应及耦合关系。. 其次研究了海上风机在安装对接过程中的相关动力学问题。分别建立了海上风机安装的硬着陆模型和软着陆模型，考虑了由于风机着陆、吊索松弛等因素引起的系统的不连续性，从时域的角度分析了海上风机安装过程中的动态特性以及影响因素。建立了提升钢丝绳的柔性动力学模型，讨论了提升钢丝绳在运动过程中的非线性振动响应。最后得到了满足海上风机安装要求的软着陆系统的设计的参数选取原则。. 基于理论分析，对软着陆系统的结构形式进行了研究，对其核心部件即缓冲器进行了详细的结构设计、强度检验以及建模分析。在此基础上，充分考虑缓冲器作为液压元件的特性，建立了包括负载、吊索和缓冲器在内的软着陆系统试验模型，并在不同海况安装条件下，对软着陆系统的性能进行了仿真计算，最终研制出了符合要求的软着陆系统。. 最后为了拓宽原有软着陆系统在多变的海上安装条件下的适用范围，引入半主动控制技术，基于海上风机着陆过程的特点，提出一种新的节流孔面积设计原则，通过参数自校正模糊控制器实现了对于软着陆系统在着陆过程中的半主动控制，并通过仿真计算，验证了控制规律和方法的有效性，表明半主动控制方案可有效改善软着陆系统在较恶劣安装条件下的缓冲性能。. 本课题的研究内容和成果为我国海上风机安装中的软着陆系统研究提供了一个良好的开端，解决了海上风机安装中软着陆系统的关键技术问题。目前该软着陆系统已经成功地应用于江苏响水海上风电场大型风机的安装。