一种约束阻尼风电塔及其参数优化方法与流程

本申请涉及风电塔相关，尤其涉及一种约束阻尼风电塔及其参数优化方法。

背景技术：

1、风电塔筒是风力发电的塔杆，在风力发电机组中主要起支撑作用，是保证叶轮、发电机等部件正常运行的重要载体，同时吸收机组震动。现有的风电塔筒通常为单桩钢筒这种薄壁结构，具有高柔性与低阻尼的特点，这些特点使其更容易被激发起多种机制的振动响应，从而影响极端条件下的结构安全或长期工作下的疲劳寿命，导致发生整机倾倒、局部断裂等事故。

2、海上单桩风电塔受到的动力荷载更为复杂，尤其是在海洋环境下，例如，持续的脉动风、波浪和海流荷载，自身的循环激励，偶然性的船舶冲击等，进一步增加了风电塔筒工作条件的复杂性。因此，对于单桩风电塔筒进行振动控制，以保证风电塔筒在复杂的动力荷载下的安全具有十分重要的现实意义。现有风电塔振动的被动控制措施主要集中在为其附加吸振措施，以降低风电塔结构的疲劳损伤或防止风电塔结构在极端荷载下被破坏的风险。但是，吸振措施的应用仍然受到控制机制与实施条件方面的制约，例如，塔筒内部的安装空间狭小，吸振装置安装空间受限，大质量的吸振装置在塔筒顶部安装难度大，以及吸振措施难以控制多振型与多共振频率等。

3、因此，如何提供一种约束阻尼风电塔及其参数优化方法，能够对风电塔的约束阻尼的设置参数进行优化设计，简化风电塔工程应用约束阻尼的设计时间和吸振效果，保证风电塔结构在复杂的动力荷载下的使用安全，已成为本领域人员亟需研究的重点

技术实现思路

1、本申请的目的是提供，简化风电塔工程应用约束阻尼的设计时间，其能够以更为简便的方式评估出约束阻尼结构对风电塔的阻尼贡献，简化风电塔工程应用约束阻尼的设计时间，达到简化风电塔工程设计的目的。

2、第一方面，本申请实施例提供一种约束阻尼风电塔参数优化方法，其包括：

3、提供约束阻尼和风电塔的复合结构模型，所述约束阻尼设置在所述风电塔的塔筒周侧，包括阻尼层和约束层；

4、基于模态应变能法，获得约束阻尼和风电塔的复合结构模态损耗因子；

5、建立约束阻尼和风电塔的力学计算模型，获得复合结构模态损耗因子与所述约束阻尼的参数化方程；

6、以复合结构模态损耗因子的最大值作为优化设计目标，确定约束阻尼的优化参数。

7、在一种可能的实施方案中，所述复合结构模态损耗因子为：

8、

9、式中：ηi为第i阶模态振型结构的复合结构模态损耗因子；ηv为阻尼层的损耗因子；为约束阻尼和风电塔的复合结构在第i阶模态振型变形时，所述阻尼层所与复合结构总弹性应变能的比例。

10、在一种可能的实施方案中，所述第i阶模态振型为一阶模态振型。

11、在一种可能的实施方案中，所述约束阻尼的优化参数包括约束阻尼的材性参数和几何参数，所述材性参数包括阻尼层的损耗因子和剪切储能模量，所述几何参数包括阻尼层、约束层的厚度，以及约束阻尼的竖直长度。

12、在一种可能的实施方案中，所述复合结构模态损耗因子与所述约束阻尼的参数化方程为：

13、

14、

15、其中，ηv为所述阻尼层的损耗因子，e0为所述塔筒的弹性模量，e2为所述约束层材料的弹性模量，g1为所述阻尼层的剪切储能模量，l为所述约束阻尼的竖直长度，t0为所述塔筒筒壁的厚度，t1为所述阻尼层厚度，t2为所述约束层厚度，et为有控结构的总应变能，et0为无控结构的应变能，α为塔筒的弯曲曲率，r为塔筒外径。

16、在一种可能的实施方案中，所述获得复合结构模态损耗因子与所述约束阻尼的参数化方程的步骤之后，还包括建立约束阻尼风电塔的有限元模型，kt的取值通过有限元方法标定获得。

17、在一种可能的实施方案中，所述确定约束阻尼的优化参数的步骤之前，还包括对所述约束阻尼的参数化方程进行无量纲化处理，获得方程：

18、

19、其中，l′＝l/t0，t′1＝t1/t0，t′2＝t2/t0。

20、在一种可能的实施方案中，l′的取值范围介于200～600之间，t′1的取值范围介于0.2～1.8之间，t′1的取值范围介于0.2～1.8之间。

21、第二方面，本申请还提供一种约束阻尼风电塔，包括约束阻尼结构和风电塔结构，所述约束阻尼结构采用上述任意一项所述的参数优化方法进行参数设置。

22、在一种可能的实施方案中，所述约束阻尼结构包括阻尼层和约束层，所述阻尼层位于所述风电塔结构的塔筒外壁与所述约束层之间。

23、与现有技术相比，本申请的有益效果至少如下：

24、本申请提供了约束阻尼风电塔及其参数优化方法，该参数优化方法首先提供了带有约束阻尼和风电塔的复合结构模型，然后在基于模态应变能法获得约束阻尼和风电塔的复合结构模态损耗因子；接着建立约束阻尼和风电塔的力学计算模型，获得复合结构模态损耗因子与所述约束阻尼的参数化方程；最后再以复合结构模态损耗因子的最大值作为优化设计目标，确定出约束阻尼的优化参数。通过推导建立复合结构模态损耗因子与所述约束阻尼的参数化方程，确定约束阻尼各参数对复合结构模态损耗因子的影响规律，为约束阻尼参数的设计提供依据，相比于现有技术大量的有限元建模计算，本申请大大简化了约束阻尼的参数优化过程，为约束阻尼风电塔的设计提供了一个更为简洁和有效的工具。

技术特征：

1.一种约束阻尼风电塔的参数优化方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的参数优化方法，其特征在于，所述复合结构模态损耗因子为：

3.根据权利要求2所述的参数优化方法，其特征在于，所述第i阶模态振型为一阶模态振型。

4.根据权利要求3所述的参数优化方法，其特征在于，所述约束阻尼的优化参数包括约束阻尼的材性参数和几何参数，所述材性参数包括阻尼层的损耗因子和剪切储能模量，所述几何参数包括阻尼层、约束层的厚度，以及约束阻尼的竖直长度。

5.根据权利要求3所述的参数优化方法，其特征在于，所述复合结构模态损耗因子与所述约束阻尼的参数化方程为：

6.根据权利要求5所述的参数优化方法，其特征在于，所述获得复合结构模态损耗因子与所述约束阻尼的参数化方程的步骤之后，还包括建立约束阻尼风电塔的有限元模型，kt的取值通过有限元方法标定获得。

7.根据权利要求6所述的参数优化方法，其特征在于，所述确定约束阻尼的优化参数的步骤之前，还包括对所述约束阻尼的参数化方程进行无量纲化处理，获得方程：

8.根据权利要求6所述的参数优化方法，其特征在于，l′的取值范围介于200～600之间，t′1的取值范围介于0.2～1.8之间，t′1的取值范围介于0.2～1.8之间。

9.一种约束阻尼风电塔，其特征在于，包括约束阻尼结构和风电塔结构，所述约束阻尼结构采用权利要求1～8任意一项所述的参数优化方法进行参数设置。

10.根据权利要求9所述的约束阻尼风电塔，其特征在于，所述约束阻尼结构包括阻尼层和约束层，所述阻尼层位于所述风电塔结构的塔筒外壁与所述约束层之间。

技术总结
本申请提供了约束阻尼风电塔及参数优化方法，该参数优化方法首先提供了带有约束阻尼和风电塔的复合结构模型，然后在基于模态应变能法获得约束阻尼风电塔的复合结构模态损耗因子；接着建立约束阻尼风电塔的力学计算模型，获得复合结构模态损耗因子与所述约束阻尼的参数化方程；最后再以复合结构模态损耗因子的最大值作为优化设计目标，确定出约束阻尼的优化参数。本申请通过建立复合结构模态损耗因子与约束阻尼的参数化方程，确定约束阻尼各参数对复合结构模态损耗因子的影响规律，为约束阻尼参数的设置提供依据，相比于现有技术大量的有限元建模计算，简化了约束阻尼的参数优化过程，为约束阻尼风电塔的设计提供了一个更为简洁和有效的工具。

技术研发人员：乐治济,田会元,蔡小莹,陈立,向欣,王伟,柳东,孙飞飞,尹文汉,宋菁,林旻,陈校锋,石玉琪,赵家鸿
受保护的技术使用者：中国长江三峡集团有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15