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第2章 气动液压伺服弹性仿真能力的开发
以前对海上漂浮风力涡轮机的时域和频域研究时的局限性，促使我开发了模拟这种系统完全耦合的气动水力伺服弹性响应的模拟能力。在开发这种能力时，我发现将陆基风机和离岸O＆G行业的计算方法相结合是十分有益的。
在过去的十年中，美国能源部（DOE）的国家可再生能源实验室（NREL），1 通过国家风力技术中心（NWTC）赞助了全面的气动伺服弹性模拟器的开发，并验证这些模拟器能够预测陆基水平轴风力涡轮机（HAWT）的耦合动态响应和极限和疲劳载荷。美国风能行业依赖于两个主要的设计规范：（1）FAST（疲劳，空气动力学，结构和湍流）[39]与AeroDyn [55,67]和（2）MSC.ADAMS\机械系统）与A2AD（ADAMS-to-AeroDyn）[20,54]和AeroDyn。FAST和MSC.ADAMS是独立运行的程序，可独立运行以模拟HAWT的结构动态响应和控制系统行为。FAST是一个公开由国家风力技术中心分发的代码3 ，在时域中采用组合模态和多体结构动力学公式。 我以目前的形式编写了大部分代码（在国家可再生能源实验室和国家风力技术中心工作时），但我基于俄勒冈州立大学和犹他大学的先前开发工作上大部分编写了代码。 更复杂的MSC.ADAMS码是MSC软件公司的商用和通用码4 在时域中采用更高保真度的多体动力学公式。 它适用于通过一套A2AD模块由迎风工程有限责任公司对风力涡轮机进行建模5 。这套由通过国家风力技术中心开发的A2AD模块是分布式的6 。
MSC.ADAMS中可能的复杂HAWT模型可以通过内置于更简单的FAST代码中的预处理器功能生成。 为了在时域中实现风力涡轮机完全耦合的气动伺服弹性建模，FAST和MSC.ADAMS都与AeroDyn空气动力子程序包进行了接口，用来计算风力涡轮机的气动力。AeroDyn由迎风工程有限责任公司开发并由国家风力技术中心工作分发7 。请注意，我在这篇文章中使用术语“ADAMS”表示“带有A2AD的MSC.ADAMS”。
网址：http://wind.nrel.gov/designcodes/simulators/fast/
网址：http://www.windwardengineering.com/
网址：http://wind.nrel.gov/designcodes/simulators/adams2ad/
网址：http://wind.nrel.gov/designcodes/simulators/aerodyn/
对于海洋石油和天然气行业，由麻省理工学院（MIT）海洋工程中心8 赞助开发，并验证综合水动力的计算机程序，能够分析频率和时间域的海上浮动平台的波浪相互作用和动态响应。来自MIT的SML（SWIM-MOTION-LINES）[47,48,49,50]是一套公开可用的计算机模块，用于确定在中等至中等水域的风，海浪和水流中运行的浮体结构的流体动力特性和响应深度大小。SML的SWIM模块[48]清晰地解决了由简单几何构成的平台（例如垂直表面穿孔圆柱阵列）的线性和二阶频域流体动力辐射和衍射问题。MOTION模块[49]找到大振幅，时域，慢漂移响应的解，并且LINES模块[50]确定与平台的非线性系泊线，系绳和立管反应。计算机程序WAMIT\（Wave Analysis at MIT）[58]是WAMIT公司的市售产品，9 在频域中使用三维数值面板方法来解决表面波与任意几何形状的海上平台的相互作用的线性化水动力辐射和衍射问题。
本章介绍了我开发升级陆上风力发电机仿真工具FAST与AeroDyn和ADAMS与AeroDyn的努力，里面包括代表海上浮动系统的附加动态负载和运动。同样在本章中，我将讨论如何在整体解决方案中使用SML和WAMIT代码。
在我描述使用AeroDyn将AASTDyn和ADAMS中的离岸动态响应纳入FAST所需的附加配方之前，我先退后一步，概述在仿真工具内用于建模风力涡轮机的一般理论类别（参见章节2.1）。然后，在章节2.2中，我将讨论与风力涡轮机浮动支撑平台有关的新配方的固有假设和相关影响。本章的其余部分涵盖了支持平台运动学和动力学建模的添加（请参见部分2.3），支持平台流体动力学模型的合并（章节2.4），并将系泊系统建模（第2.5节）纳入FAST和ADAMS。然后我将在第2.6节中总结这些信息。
我将我新开发的时域流体动力学模块称为“HydroDyn”，因为它是对流体动力学加载AeroDyn在系统中的空气动力学加载。
我广泛使用方程来描述与离岸风力涡轮机浮动支撑平台有关的流体动力学和系泊系统配方。为了简洁和清晰，我没有包括这些方程的推导; 它是我想强调的方程式和背后的物理形式。（请参考一系列推导的相关参考文献。）在本章中，我还强调了我的模型与海上风力发电机行业中使用的模型之间的区别。这些区别很重要，因为我采取的将海上动力学应用于风力发电机设计规范的方法与其他方法所采用的方法大不相同。
模拟专家分析了固定底部的海上涡轮机支撑结构[4,15,19,52,61,77,97]。 最后，我的方法比其他人对浮动风力涡轮机进行初步动态分析的方法[13,23,31,59,98,100,101,103,105,106]更全面。 本章将更详细地讨论这些不同之处。
风力涡轮机气动伺服弹性建模概述
FAST代码是一个非线性时域仿真器，它采用了一个组合的模态和多体动力学公式。 虽然FAST的结构自由度（DOF）数量有限，但它可以模拟大多数常见的风机配置和控制情景，包括带有刚性轮毂的三叶片涡轮机，带有刚性或摇摆轮毂的双叶片涡轮机，带有涡轮机的涡轮机齿轮箱或直接驱动器，带有感应发电机或变速控制器的涡轮机，具有主动叶片桨距调节或被动失速调节的涡轮机，具有主动或被动机舱偏航控制的涡轮机以及具有被动转子或尾部收尾的涡轮机。
在FAST中，刀片和塔架的灵活性使用线性模态表示来表征，该模态表示假设每个构件内的小偏转。 这些构件的柔性特性是通过指定沿构件跨度的分布刚度和质量特性以及将它们的模态形状规定为等效多项式来确定的。FAST允许每个叶片采用两个摆动式和一个沿边弯曲模式自由度以及塔中的两个前后和两个侧面弯折模式自由度。除了一个可变的发电机转速自由度，传动系统的扭转灵活性在低速轴中使用单自由度等效线性弹簧和阻尼模型进行建模。机舱（或至少机舱的承载底板）和轮毂在FAST中被模拟为具有适当集中质量和惯性项的刚体。所有的自由度都可以通过开关启用或锁定，从而可以轻松提高或降低模型的保真度。除叶片和塔架弯曲模式自由度以外的所有自由度均可显示出大位移而不会降低精度。使用恒定时间步长的Adams-Bashforth-Adams-Moulton预估校正器集成方案进行非线性运动方程的时间推进。 更多细节可以在其他作品中找到[37,38,39]。
FAST不仅可用于时域仿真，还可用于生成完整非线性气动弹性风力机模型的线性化表示（不包括控制系统的影响）。这种分析能力对于开发风力涡轮机“工厂”的线性化状态矩阵有用，用来帮助设计和分析控制系统。通过使用简单的特征分析来确定运行或固定HAWT的全系统模式也很有用。更多的信息可以在别处找到[38,39]。
ADAMS中的结构动力学模型比FAST中的更复杂。ADAMS是一种非线性时域代码，采用通用多体动力学公式，允许几乎无限数量的配置和DOF。它不是风机专用的代码，并且经常被汽车，航空航天和机器人行业的工程师使用。ADAMS将一个机械系统表示为一系列具有集中质量和惯性的六自由度刚体，通过关节（约束）相互连接。柔性构件，例如风力涡轮机的叶片和塔架，在ADAMS中使用一系列通过多维线性刚度和阻尼矩阵互连的刚体（即，六自由度关节）。与FAST一样，机舱和轮毂通常使用具有集中质量和惯性属性的刚体进行建模。ADAMS采用了类似于FAST中的时间推进方案，除了ADAMS方案包含可变时间步长算法。
通常需要使用更复杂的ADAMS代码来代替FAST，因为ADAMS具有许多FAST不具备的功能。这些包括叶片和塔架中的扭转和拉伸自由度，叶片和塔架中的几何（与变桨轴线的质量和弹性偏移）以及材料（不对称复合层板叠加）联轴器，叶片中的内置预弯曲和致动器叶片变桨控制器中的动态特性等等。我还发现，当我向FAST添加新功能，特别是新的DOF时，ADAMS可用于验证从FAST获得的动态响应预测。这是因为ADAMS中的运动方程不是由用户定义的，因为它的动态响应预测得到了很好的验证（更多信息见参考文献[39]）。
FAST和ADAMS都允许分析人员包括控制系统逻辑，用于主动控制机舱偏航，发电机扭矩和叶片桨距等执行器。控制器输出可以基于可以从任何数量的先前计算的模型状态或其他派生参数的反馈开发的输入（更多信息参见参考文献[39]）。
FAST和ADAMS都与AeroDyn空气动力子程序包连接，用于计算气动力。该空气动力学模型使用经典的准稳态叶片单元/动量（BEM）理论或广义动力尾迹（GDW）模型来模拟转子空气动力学，两者均包含轴向和切向（旋转）感应的影响。BEM模型使用Prandtl的特征和尖端损失。 使用可选的Beddoes-Leishman动态失速模型可以包括动态失速行为。单元运动和位置被包括在每个叶片元件的瞬时相对风向量的计算中，使得代码完全具有空气伺服弹性。更多细节可以参考文献。[67]。
新模式发展的假设
当增加浮动风力涡轮机模拟的模型时，包括研究支持平台的运动学，动力学和流体动力学，以及系泊系统的响应时，除了之前在陆基气动伺服弹性模拟工具中固有的假设之外，我还引用了许多假设。
对于支撑平台的运动学和动力学，我认为浮动支撑平台很好地表现为具有三个小旋转位移的六自由度刚体。正如我在第一节中讨论的2.3，小角度假设的影响并不被认为是至关重要的。类似于风力涡轮机机舱的承载基板，支撑平台被建模为刚体，因为它被认为是如此坚固和不灵活，至少与风力涡轮机的叶片和塔相关，直接水力弹性效果不重要。另外，我认为塔架刚性地悬挂在支撑平台上。此外，假定支撑平台的CM（不包括风机）和COB沿着未偏转塔的中心线布置。
我最初计划[40]通过连接SML的动态系泊系统LINES模块，将系泊系统行为包括在我的近海FAST和ADAMS升级中。
因为我发现LINES在我的一些分析中模拟浮式悬链线系泊线时在数值上是不稳定的，所以我开发了我自己的系泊系统的准静态模型。我在第2.5节介绍了该模型的发展及其准静态特性的含义。
我在开发HydroDyn流体动力学模块时的基本假设是经典海洋水动力学问题的线性化。 在海洋水动力学领域，线性假设表示许多事情，其中三个我将在下面讨论。
首先，流体力学问题的线性化（即非线性运动学和动态自由表面边界条件的线性化）意味着入射波的幅度远小于它们的波长。这允许使用最简单的入射波运动学理论，即Airy波理论。这种假设必然会阻止我能够模拟陡峭的波浪和由此产生的非线性波浪引起的“巴掌”和“猛击”负荷。对于大多数深水波和浅水中的小幅波来说，线性化是一个合理的假设。然而，当波浪变得极端或在浅水中向海岸传播时，需要高阶波动运动学理论，但在我的模型中忽略。
其次，线性化意味着支撑平台的平移位移相对于身体尺寸（即特征体长度）较小。 通过这种方式，流体动力学问题可以分解为三个单独的和更简单的问题：一个用于辐射，一个用于衍射，一个用于流体静力学。 我在章节2.4中讨论这些问题的细节。正如经常被误解的那样，流体动力学问题的线性并不意味着支撑平台的特征长度相对于入射波的波长需要较小。当支撑平台的特征长度相对于入射波的波长较小时，流体动力学散射问题（衍射问题的一部分）可以大大简化，但我没有在我的
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