[논문 리뷰] Theory Manual for the Tuned Mass Damper Module in FAST v8

William La Cava, Matthew A. Lackner|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 03.

Hydraulic and Pneumatic Systems참고 문헌 4인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 FAST v8에 통조화 질량 감쇠기(TMD)의 이론적 기초와 구현을 제시하며, 날개의 전후(x) 및 측면-측면(y) 방향에 두 개의 독립적이고 단일 자유도의 TMD를 추가하여 풍력 터빈에서 능동 구조 제어를 가능하게 한다. 이 방법은 코리olis, 원심력 및 유클리드 효과를 포함한 동적 힘을 모델링하며, 스토프력(Stroke limit)을 통해 변위 한계를 고려하여 탄성 풍력 터빈 시스템에서의 진동 감쇠를 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

This manual describes the theory underlying new functionality in FAST 8 that simulates the addition of tuned mass dampers in the nacelle for structural control.

연구 동기 및 목표

• FAST v8 시뮬레이션 프레임워크에 통조화 질량 감쇠기(TMD)를 통합하여 풍력 터빈의 구조 제어를 가능하게 하기.
• 관성 및 비관성 기준좌표계를 사용하여 난방의 전후 및 측면-측면 방향에서 TMD의 동적 거동을 모델링하기.
• 난방의 회전으로 인해 발생하는 코리olis, 원심력 및 유클리드 가속도를 TMD 운동 방정식에 반영하기.
• 변위가 한계를 초과할 경우 작동하는 비선형 스프링-다이어퍼 요소를 사용하여 TMD 이동의 기계적 한계를 모의하는 스토프력(Stop force)을 구현하기.
• TMD를 FAST v8의 ServoDyn 모듈에 이론적이고 코드 수준에서 완전히 통합하기.

제안 방법

• 난방에 고정된 회전하는 비관성 기준좌표계를 사용하여 TMD의 운동 방정식을 유도하며, 이 가속도를 회전 행렬을 통해 관성 가속도로 변환한다.
• x 및 y 방향에서 TMD를 1-DOF 선형 질량-스프링-다이어퍼 시스템으로 모델링하며, 전역 기준좌표계와 난방 고정 기준좌표계에서 힘을 분해한다.
• 난방의 회전으로 인한 상대 운동에서 코리olis, 원심력 및 유클리드 가속도를 TMD 운동 방정식에 통합한다.
• 회전 행렬을 통해 다시 전역 기준좌표계로 변환하여 TMD 힘을 합산함으로써 난방의 반력 및 모멘트를 계산한다.
• 변위가 정의된 한계(X_UWSP, X_DWSP, Y_PLSP, Y_NLSP)를 초과할 경우에만 작동하는 고강성, 고감쇠 요소를 사용하여 스토프력을 도입한다.
• TMD 모듈을 FAST v8에 독립형 컴포넌트로 구현하며, 전용 입력 파일, 상태 변수, ServoDyn 모듈에의 통합을 포함한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FAST v8를 사용한 풍력 터빈의 동적 시뮬레이션에서 통조화 질량 감쇠기를 정확하게 모델링하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 난방의 회전 기준좌표계에서 코리olis, 원심력 및 유클리드 힘이 TMD 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 TMD의 기계적 스토프 한계를 비선형 스토프력으로 모의하여 비현실적인 변위를 방지하는 방법은 무엇인가?
• RQ4 TMD의 파rameter(질량, 스프링 강성, 감쇠 계수)가 탄성 풍력 터빈 시스템에서 난방의 진동 감소에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ5 TMD 모듈은 존재하는 동역학을 방해하지 않고 FAST v8 프레임워크에 어떻게 통합되는가?

주요 결과

• TMD 모듈은 난방의 전후 및 측면-측면 방향에 두 개의 독립적인 1-DOF 질량-스프링-다이어퍼 시스템을 성공적으로 모델링한다.
• 코리olis, 원심력 및 유클리드 힘의 포함으로 난방의 회전 조건에서도 정확한 동적 반응을 보장하여 고정밀 시뮬레이션에 필수적이다.
• 고강성 및 고감쇠 계수(k_S, c_S)를 가진 스토프력이 기계적 종말장치를 모의하기 위해 구현되었으며, 변위가 X_UWSP, X_DWSP, Y_PLSP 또는 Y_NLSP를 초과할 경우에만 작동한다.
• 회전 행렬 R_{N/G} 및 그 전치행렬을 사용하여 난방 기준좌표계에서 전역 기준좌표계로 TMD 힘과 모멘트를 정확히 변환한다.
• TMD_CMODE 매개변수를 통해 수동 및 능동 TMD 제어 모드를 지원하며, 향후 적응형 제어 전략 개발에 기여한다.
• 새로운 파일들(TMD.f90, TMD.txt, TMD_Types.f90)을 통해 FAST v8에 완전히 통합되었으며, ServoDyn 모듈 내에서 입력, 상태, 파라미터, 출력이 정의되어 있다.