浮式风机动力系统的线性耦合动力学分析

浮式风机的前期开发需通过大量的方案比选确定结构基本形式和主尺寸参数，对动力学数值模拟效率提出了较高的要求。与时域非线性耦合模拟法相比，频域线性模拟法更适用于概念设计阶段。对此，文章提出了一种高效的线性耦合数值分析方法。采用了九自由度动力学模型描述浮体、塔筒以及叶轮的运动，对结构动力、气动力以及水动力问题进行线性化处理后，将动力学控制方程写成状态空间表达形式，进而推导出环境扰动-结构响应的传递函数，实现结构-控制系统在频域内的联动求解。为了验证模型的有效性，以时域非线性耦合软件Open FAST作为参考，对比了某半潜式风机在风浪联合工况下的运动响应。结果表明，线性模型的响应标准差相对误差大多在20%以内，而计算效率有大幅度提升，为概念设计阶段的结构选型及主尺寸优化设计提供了高效的分析工具。