摘要：风电机组塔架的振动响应特性与减振措施研究是一个复杂且多方面的课题，涉及结构动力学、控制技术以及材料科学等多个领域。以下是基于我搜索到的资料对这一主题的详细分析：

风电机组塔架振动响应特性与减振措施研究

风电机组塔架的振动响应特性与减振措施研究是一个复杂且多方面的课题，涉及结构动力学、控制技术以及材料科学等多个领域。以下是基于我搜索到的资料对这一主题的详细分析：

风电机组塔架振动响应特性

1.振动特性分析：

l风电机组塔架在外部激励（如风荷载、地震等）作用下会产生复杂的振动响应。研究表明，塔架的振动频率通常包含激振力频率和塔架的固有频率[13]。在特定风速下，塔架的振动主要受到三倍旋转频率的影响[8]。

l在不同工况下，塔架的振动形式和幅值会有所不同。例如，在正常运行工况下，塔架前后方向的加速度响应受3P、6P影响较大，而在紧急停机工况下，塔架的侧向加速度响应则明显受到二阶振型的影响[8]。

2.影响因素：

l湍流强度是影响塔架振动的重要因素之一。研究表明，湍流强度增大时，塔顶的振动幅值也会相应增大[16]。

l地震荷载对塔架的振动影响显著，尤其是在地震带上的大功率风电机组设计时需要考虑地震滑冲效应的影响[11]。

减振措施研究

1.被动控制装置：

l调谐质量阻尼器（TMD）是一种常用的减振装置，通过增加附加质量来提高结构阻尼，从而减少塔架的振动[2]。然而，TMD的质量单元安装空间有限且可能增加塔体负担[23]。

l新型被动预应力调谐质量阻尼装置（PS-TMD）通过优化频率比和阻尼比，可以显著提高减振效果，在接近结构自振频率附近减振效果可达60%以上[5]。

2.主动控制策略：

l利用振动速度反馈来增加塔架左右方向结构阻尼的方法已被证明有效降低塔架左右振动加速度，并延长风机寿命[17]。

l在控制器设计中，使用椭圆带通滤波器和切比雪夫低通滤波器可以改善塔架侧向振动阻尼[9]。

3.耗能减振装置：

l形状记忆合金（SMA）耗能减振装置利用其超弹性效应，能够有效控制塔架结构的动力响应，使顶层最大位移和加速度分别减小45%和31%[12]。

4.其他减振技术：

l固定质量阻尼器（FMD）通过改变塔架与上部结构的连接方式，利用机舱、叶片等上部结构作为质量单元去减小塔架的振动，避免了传统TMD安装不易的问题[23]。

l结合风电机组塔架的特殊构造和振动特点，采用不同的减振装置和控制策略可以有效降低塔架的振动响应[27]。

结论

风电机组塔架的振动响应特性与减振措施的研究需要综合考虑多种因素，包括外部激励源、结构特性以及环境条件等。通过采用被动和主动控制装置、耗能减振装置等多种减振技术，可以显著提高风电机组的安全性和稳定性。未来的研究应继续探索更高效的减振方法，并结合实际工程应用进行验证和优化。

风电机组塔架在不同湍流强度下的振动响应特性研究有哪些最新进展？

风电机组塔架在不同湍流强度下的振动响应特性研究的最新进展主要集中在以下几个方面：

1.湍流风与地震联合作用下的非线性动力学响应：研究表明，地震作用对塔架加速度影响较大，而塔顶来流方向振动受湍流风影响显著。地震激励引起的振动能量可以通过气动阻尼耗散，但塔顶侧向振动能量主要通过结构阻尼耗散。此外，塔顶位移响应信号具有混沌特征，这表明在不同工况下塔顶位移时间序列的三维相图呈现出奇异性，最大Lyapunov指数均大于0 [31]。

2.非稳定工况下的时频特性分析：研究发现，在开机启动、偏航以及紧急停机等非稳定工况下，风力机结构的动力学响应具有明显的非平稳特征。特别是偏航导致塔尖侧向位移明显上升，而紧急停机时由于负气动阻尼影响，叶片幅值增大 [32]。

3.风浪异向下动力学响应及非线性特征：研究显示，塔顶前后向位移几乎不随波浪入射角改变而变化，但塔顶侧向位移受波浪入射角影响较大。随着风速增大，塔顶侧向加速度波动剧烈程度逐渐降低，不同海况下塔架前后向加速度波动差异较小。此外，各海况加速度最大Lyapunov指数均大于零，表明混沌特征明显 [33]。

4.基于TMD控制的抗震研究：通过在塔顶配置调谐质量阻尼器（TMD），对地震作用下风力机塔架进行结构控制，结果表明TMD方法可以显著减小塔架和机舱的动力响应，提高风力机运行稳定性 [35]。

5.海上超大型风力机结构动力学响应及稳定性研究：研究发现，湍流风对塔顶位移影响最为显著，而地震对塔顶侧向位移的影响远大于湍流风。启动紧急停机可有效削减塔顶位移、塔架等效应力及应变能响应峰值，降低结构损伤及塑性形变风险 [37]。

地震荷载对风电机组塔架振动影响的详细分析和减振策略有哪些？

地震荷载对风电机组塔架振动的影响主要体现在地震载荷是风力机塔架振动的主要因素，尤其是在地震带附近的海上风力机，其结构动力响应受到地震载荷的显著影响[41][42]。地震横波对风力机结构响应造成剧烈影响，而纵波相对于横波影响较小[43]。此外，地震载荷与风载荷联合作用下，地震载荷极大加剧了塔顶振动，机舱加速度峰值增大2倍以上[45]。长周期地震动对风电塔塔顶位移放大作用明显，可超过风荷载成为控制荷载[46]。

减振策略方面，调谐质量阻尼器（TMD）被证明能有效降低塔顶振动和塔基载荷。当调谐频率比为0.9时，TMD对塔顶位移控制效果最佳，可降低塔顶位移89.8%；当调谐频率比为0.8时，TMD可显著降低地震后的塔基载荷波动幅度，标准差最高可降低99%[42]。此外，安装TMD可有效减缓塔架振动和降低塔架弯矩，保证风力机的结构安全和运行稳定。TMD与结构质量比u=0.01, 阻尼系数ξ=0.1时，减振控制效果最佳[47]。多重调谐质量阻尼器（MTMD）也被研究用于减振，通过ABAQUS有限元软件模拟减振装置，通过对质量比、频率比等参数进行分析，得到结构的最优减振参数[48]。

地震荷载对风电机组塔架振动的影响显著，主要通过增加塔顶振动和塔基载荷来体现。

新型被动预应力调谐质量阻尼装置（PS-TMD）的减振效果和应用案例研究。

新型被动预应力调谐质量阻尼装置（PS-TMD）在减振效果和应用案例方面表现出显著的性能。PS-TMD在风力机塔架的振动控制中尤其有效。

PS-TMD通过附加下拉索并施加预拉力，利用摆长和预拉力两个参数进行振动控制调谐，特别适用于高柔钢制风力机塔架的振动控制[51]。在地震激励下，PS-TMD能有效缓解塔架的共振响应，显著降低因基频共振致使的动力响应[50]。此外，PS-TMD不会产生因摆角致使的非线性效应，且在地震激励下具有预期的滞回耗能及变形能力[50]。

在具体的应用案例中，通过数值算例结果表明，考虑柔索效应后的PS-TMD的动力系数幅值小于同参数下线性PS-TMD，共振响应下的减振性能和能量耗散能力更为突出[51]。这表明PS-TMD在实际应用中能够提供更优的减振效果。

总结来说，PS-TMD作为一种新型的被动预应力调谐质量阻尼装置，在风力机塔架等结构的振动控制中显示出优异的减振效果和应用潜力。

形状记忆合金（SMA）耗能减振装置在风电机组塔架中的应用效果和优化方法。

形状记忆合金（SMA）耗能减振装置在风电机组塔架中的应用效果显著，主要体现在其能够有效降低结构的动力响应，提高结构的抗震性能和变形可恢复能力。SMA耗能减振装置通过其超弹性、高阻尼和可恢复大变形等特性，在风电塔架结构中发挥着重要作用[60][63]。

SMA耗能减振装置的应用效果主要表现在以下几个方面：

1.减震效果显著：SMA耗能减振装置能够将结构振动能量集中转换到装置上，有效耗散结构振动能量，减震率可达30%～40%[61]。特别是在地震作用下，SMA-SMPD系统相比普通悬吊质量摆（SMPD）系统，能够更有效地抑制风电塔架结构的不良振动，减震效果明显优于SMPD系统[62]。

2.提高结构的抗震性能和变形可恢复能力：通过在钢框架结构的层间对角线方向上布置SMA丝，并考虑SMA丝的初始预应变，可以提高结构的抗震性能和变形可恢复能力，减小结构的地震反应[60]。

3.适应不同环境温度：形状记忆合金的阻尼性能的发挥可以适应不同的环境温度，整体结构的能量分布情况显示，形状记忆合金消耗了地震所输入的大部分能量[65]。

优化方法主要包括：

1.合理布置SMA耗能部件：将耗能部件合理布置在悬吊摆周围，提出一种适合风电塔结构的SMA-SMP减震装置，并将其应用于风电塔结构中，验证其减震效果的有效性[60]。

2.参数优化：采用能量平衡分析方法对SMA消能减震结构体系阻尼器的参数进行了优化，给出了阻尼器参数的建议取值范围[69]。

3.改进本构模型：针对现有模型不能描述马氏体硬化效应和应变率相关特性的缺点，提出了改进的Graesser & Cozzarelli模型，通过数值仿真结果和试验结果的对比，验证模型的适用性[69]。

4.新型耗能器的设计：开发研制了新型筒式自复位SMA阻尼器（TRSMAD）和新型复合型SMA摩擦阻尼器（HSMAFD），这些新型耗能器有效利用了SMA的自复位功能和摩擦装置的高耗能能力，具有更强的耗能能力[69]。

风电机组塔架主动控制策略的最新研究进展和实际工程应用案例。

风电机组塔架主动控制策略的最新研究进展主要集中在提高塔架的稳定性和减少振动方面。这些研究通过不同的技术手段，如主动阻尼控制、变速控制参数优化、反馈控制策略等，来实现对塔架振动的有效控制。

1.主动阻尼控制技术：2015年的研究提出了一种基于塔架顶部前后加速度检测的主动阻尼控制技术，该技术通过在变桨控制环中新增一个控制环来增加塔架前后一阶模态的阻尼，从而显著减轻机舱和塔架的前后方向振动及载荷[70]。此外，2023年的研究进一步优化了变速控制参数，通过自适应变速控制参数优化方法，结合灾变遗传算法，实现了更优的控制效果[71]。

2.反馈控制策略：2015年的研究分析了陆上与海上风力机塔架前后振动的控制效果，发现陆上风力机的塔架前后振动能够得到很好的抑制，而海上风力机则需要考虑其他控制策略[72]。

3.基于ARID系统的近海风机塔架振动控制：2022年的研究提出了近海风机塔架-主动转动惯量驱动控制系统(ARID)，该系统通过输出主动控制力矩直接作用在风机塔架上，有效控制塔架纵摇振动[74]。

4.基于塔内位移观测器和模态空间低维控制器的风力机振动主动控制系统：2023年的研究利用现代摄像观测技术，建立了从塔内实时连续观测振动位移的方法，并通过模态空间降维方法保留结构的主要动力特性，实现了高塔结构的主动控制[75]。

实际工程应用案例包括：

u在张北单晶河风场的一台1.5 MW机组上进行了塔架主动阻尼控制技术的现场试验，验证了控制方案的合理性和显著的控制效果[70]。

u近海风机塔架-ARID系统在不同荷载作用下的振动台试验，证明了ARID系统对塔架纵摇振动的良好控制效果和高鲁棒性[74]。

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来源：有趣的科技君