自适应变频TMD减振技术及其在海上风电塔架减振中的应用研究

【摘要】：随着常规能源过度消耗和环境污染问题日益突出,能源消耗与环境保护的压力使得各国政府加大了对清洁的新能源和可再生能源的投入。风能作为一种可再生能源受到了越来越多国家的重视。海上风力资源丰富,比陆地风力发电产能大,对环境的影响小,因此海上风力发电是风力发电的新趋势。 海上风力发电塔架是一种高耸结构,其高宽比较大,结构抗弯刚度相对较柔,在横向荷载(尤其是风荷载)作用下,容易产生较大的振动,导致结构的疲劳和破坏,威胁结构的安全。通过振动控制方法抑制塔架的振动,是海上风力发电研究的重要内容。 不同于普通结构减振,高耸结构振动控制的核心问题是利用结构振动控制理论,改变传统地加强承重结构以抵抗风振或地震的思路,而采用某种控制装置施加控制力,抑制结构的动力反应。在众多的被动控制方法中,TMD和MTMD是最为普遍的一种,也最具有实用价值和工程应用前景。海上风力发电塔架受风力等级影响会调整自身状态以保障基础结构的安全,使得结构自身的固有频率发生变化。传统TMD因其控制频率的单一性显然不能满足多工作频率的结构减振要求。MTMD虽然可以实现对多个频率的控制,但其结构庞大,安装复杂,且非工作部分会对振动控制产生干扰。 本论文在前人研究成果基础上,考虑特殊环境下多工作频率结构的振动控制要求,提出了“自适应变频TMD”的概念。自适应TMD的概念既保留了MTMD多工作频率的优势,同时是单TMD系统,安装、维护简单。本文对自适应变频TMD系统的原理进行了详尽的阐述,并对此系统实现的关键问题进行了研究。具体研究内容如下: 1.在了解已有结构振动控制技术基础上,借鉴TMD及MTMD的优点,提出一种新型的减振装置——自适应变频TMD控制装置。这种新型装置能够克服传统TMD控制频率的单一性,通过调谐自身频率与结构的各个工作频率相适应,适用于多频率工作结构的减振。 2.详细阐述自适应变频TMD的工作原理,并通过数值模拟与物模实验研究其可行性。结果表明,这种新方法能够突破现有TMD的局限性,可用于有多个工作频率的工程结构减振。 3.以某海上风力发电系统的塔架为例,用有限元软件模拟结构安装变频TMD前后的振动状态,验证自适应变频TMD对塔架结构的减振作用。 研究表明,自适应变频TMD振动控制装置进一步完善了传统的MTMD,不仅保持了MTMD具有多个工作频率的优点,而且有自身的独特之处。随着高层建筑、高耸结构、桥梁等高柔结构的广泛应用,自适应变频TMD控制装置有广泛的发展前景。 【关键词】：TMD 自适应变频 振动控制 风力发电
【学位授予单位】：中国海洋大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2009
【分类号】：TM921.51;TU352.11
【目录】：

• 摘要5-7
• Abstract7-12
• 1 绪论12-27
• 1.1 结构振动控制的研究背景12-17
• 1.2 结构振动控制技术研究进展17-23
• 1.2.1 被动控制方法17-20
• 1.2.2 主动控制方法20-21
• 1.2.3 半主动控制方法21-22
• 1.2.4 混合式控制方法22-23
• 1.3 结构振动控制技术应用实例23-25
• 1.4 本论文研究内容25-27
• 2 自适应变频 TMD 方法的提出27-39
• 2.1 TMD 和MTMD 的减振原理27-32
• 2.1.1 TMD 减振原理27-28
• 2.1.2 MTMD 减振原理28-32
• 2.2 TMD 和MTMD 的研究现状32-37
• 2.2.1 TMD 的研究现状32-35
• 2.2.2 MTMD 的研究现状35-37
• 2.3 自适应变频TMD 方法的设计思路37-38
• 2.4 本章小结38-39
• 3 自适应变频 TMD 原理及实现方法研究39-52
• 3.1 自适应变频TMD 原理39-40
• 3.2 频率敏感系统的数值模拟40-45
• 3.2.1 模态分析41-42
• 3.2.2 频率敏感性模拟42-45
• 3.3 频率敏感系统的实验研究45-49
• 3.3.1 实验装置45-46
• 3.3.2 实验数据46-47
• 3.3.3 数据处理及分析47-49
• 3.4 结构被动变刚度机构的实验研究49-51
• 3.4.1 实验装置49-50
• 3.4.2 实验数据及分析50-51
• 3.5 本章小结51-52
• 4 自适应变频 TMD 在海上风电塔架减振中的应用研究52-65
• 4.1 风力发电简介52-56
• 4.1.1 国内外风力发电现状52-53
• 4.1.2 海上风力发电53-56
• 4.2 海上风力发电塔架56-57
• 4.3 变频TMD 用于海上风力发电塔架减振效果计算57-64
• 4.3.1 塔架有限元模型的建立57-60
• 4.3.2 结构-TMD 减振效果分析60-64
• 4.4 本章小结64-65
• 5 结论及展望65-67
• 5.1 本文主要工作65-66
• 5.2 研究工作展望66-67
• 6 参考文献67-73
• 7 致谢73-74
• 个人简历74
• 攻读硕士学位期间发表学术论文74
• 攻读硕士学位期间申请专利74

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