[论文解读] Theory Manual for the Tuned Mass Damper Module in FAST v8

William La Cava, Matthew A. Lackner|arXiv (Cornell University)|Aug 3, 2020

Hydraulic and Pneumatic Systems参考文献 4被引用 16

一句话总结

本文提出了在FAST v8中集成调谐质量阻尼器（TMDs）的理论基础与实现方法，通过在机舱的前后（x）和侧向（y）方向添加两个独立的单自由度TMD，实现了风力机的主动结构控制。该方法建模了科里奥利力、哥式力、离心力和欧拉力等动态力，并引入限位停止力以模拟行程限制，显著提升了柔性风力机系统的振动抑制效果。

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.

研究动机与目标

• 通过将调谐质量阻尼器（TMDs）集成到FAST v8仿真框架中，实现风力机的结构控制。
• 使用惯性参考系和非惯性参考系，对机舱前后方向和侧向方向的TMD动态行为进行建模。
• 由于机舱旋转，将科里奥利力、离心力和欧拉力纳入TMD运动方程中。
• 通过在位移超出界限时使用非线性弹簧-阻尼元件，实现模拟TMD行程机械限位的停止力。
• 在理论和代码层面完整集成TMD至FAST v8的ServoDyn模块中。

提出的方法

• 基于固定在机舱上的旋转非惯性参考系，推导TMD的运动方程，通过旋转矩阵将惯性加速度进行变换。
• 在x和y方向将TMD建模为1-DOF线性质量-弹簧-阻尼系统，并在全局坐标系和机舱固定坐标系中分解受力。
• 在TMD相对于机舱的相对运动中，考虑科里奥利加速度、离心加速度和欧拉加速度。
• 通过求和TMD受力并利用旋转矩阵R_{N/G}及其转置将力和力矩变换回全局坐标系，计算机舱的反作用力和力矩。
• 引入高刚度、高阻尼的停止力元件，仅在TMD位移超过预设限位（X_UWSP, X_DWSP, Y_PLSP, Y_NLSP）时激活。
• 将TMD模块实现为FAST v8中的独立组件，包含专用输入文件、状态变量，并集成至ServoDyn模块中。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在FAST v8中对风力机动态仿真中的调谐质量阻尼器进行精确建模？
• RQ2 科里奥利力、离心力和欧拉力对旋转机舱框架中TMD性能有何影响？
• RQ3 如何通过非线性停止力建模TMD的机械行程限位，以防止不现实的位移？
• RQ4 TMD参数（质量、刚度、阻尼）对柔性风力机系统中机舱振动抑制的影响是什么？
• RQ5 TMD模块如何在不破坏现有动力学特性的前提下，集成到FAST v8框架中？

主要发现

• TMD模块成功实现了机舱前后方向和侧向方向两个独立的1-DOF质量-弹簧-阻尼系统的建模。
• 引入科里奥利力、离心力和欧拉力，确保了在机舱旋转条件下的精确动态响应，对高保真度仿真至关重要。
• 通过高刚度和高阻尼常数（k_S, c_S）实现停止力，模拟机械限位端点，仅在位移超过X_UWSP、X_DWSP、Y_PLSP或Y_NLSP时激活。
• TMD的力和力矩通过旋转矩阵R_{N/G}及其转置，正确地从机舱坐标系变换到全局坐标系。
• 该方法通过TMD_CMODE参数支持被动和主动TMD控制模式，为未来自适应控制策略提供支持。
• 通过新增文件（TMD.f90, TMD.txt, TMD_Types.f90）将实现完全集成至FAST v8，ServoDyn模块中定义了输入、状态、参数和输出。