“非线性弹簧组合装置”为深海浮式风机减震

2026-07-23

随着传统化石能源的消耗与温室效应的加剧，风能作为一种成熟的清洁可再生能源，近年受到了全球的广泛关注。相比于陆地风电，海上风电具有风速更高、更稳定、不占用土地资源、视觉与噪音干扰小等显着优势。随着风电开发向深水海域迈进，传统的固定式底座在经济性和技术上遭遇瓶颈，漂浮式海上风机（FOWT）正逐渐成为深海风能开发的主流趋势。

部署在深海的浮式风机面临着极其复杂的外部环境。持续不断的风载荷与海浪冲击极易引发风机结构的剧烈震动。这种震动不仅会降低风机的发电质量，还会加剧塔筒等关键部件的疲劳损伤，缩短设备寿命并大幅增加后期的维护成本。如何在恶劣的海况下为这些数十米高的“海上巨人”平稳减震，是工程界亟待解决的关键难题。

这篇研究在传统的减震装置中引入了由几何特性产生的非线性弹簧元件，设计出一种“非线性拓宽型”吸能减震装置（NIBA），有效改善了深海风机在复杂频段下的整体抗震稳健性。

目前主流抑制风机的摇晃的结构控制方法是采用被动式减震器，例如调谐质量减震器（TMD，类似于台北101大楼里的巨型减震钢球），或者近年兴起的基于惯性环节的减震器（IBA）。这些被动装置结构相对简单、无需外部电源支持且本身具备无条件稳定性，工程中应用广泛。然而，传统的TMD和IBA都属于线性减震器。意味着设计时必须将自身的固有频率精密“对齐”风机塔筒的某一阶主振动频率。在实际海洋环境中，受到风、浪、流等多种复杂载荷的耦合干扰，风机所承受的震动往往是跨越多个频率的“宽频震动”。线性减震器一旦离开其狭窄的预设工作频段，减震效果就会大打折扣。为了打破这一限制，研究团队决定在系统中加入“非线性弹簧”来拓宽减震频带。

这项研究中，团队首先构建了一个简化但具有代表性的单柱式（Spar-buoy）深海浮式风机动态数学模型，并将新设计的减震装置安装在风机顶部的机舱内。

如图1(a)所示，模型将风机的塔筒简化为一根围绕底部铰链摆动的刚性连杆，底部的半潜单柱基础则通过虚拟弹簧和阻尼器（k_p, c_p）模拟其在海水中的俯仰与回复受力。图1(b)展示了安装在机舱内的NIBA核心构造。除了内部包含惯性环节（b）、阻尼（c）和常规线性弹簧（k₁, k₂）组成的传统IBA模块外，质量块m的上下两侧还对称连接了一对横向放置的线性弹簧（k）。当质量块横向位移x₂时，这对横向弹簧会产生几何形变，从而在水平方向上产生一个天然的三次非线性回复力。这股非线性力量可以让该装置不受制于单一的固定谐振频率。

为了验证该数学模型的可靠性，团队首先将其在自由衰减状态下的动态响应与国际公认的通用风电动力学仿真软件OpenFAST进行了比对。

图2展示了在系统5度的初始平台倾角后，平台俯仰角（PPA）和塔顶位移（TTD）在时间域和频率域（经过快速傅里叶变换 FFT）的衰减演变。可以看出，简化数学模型（红虚线）的振动轨迹与OpenFAST权威软件（黑实线）吻合得较好，为后续的参数调优奠定了基础。

确认模型后，研究团队利用谐波平衡法（HBM）推导出了系统在正弦波载荷激励下的周期性稳定解，并采用里雅普诺夫第一方法锁定了系统的稳定区域。

图3展示了塔顶相对转角幅值随激励频率变化的曲线。由于非线性弹簧，系统在0.4Hz附近表现出了典型的非线性“跳跃（Jumping）”现象。采用理论解析法（HBM，黑线）算出的稳定与不稳定区间，与利用四阶龙格-库塔数值法（R-K）进行正向（红方块）和反向（蓝星）扫频得到的结果高度一致，证实了理论求解的可靠性。

团队在计算机中对传统的TMD、IBA以及新型的NIBA进行了在相同质量占比（吸振器质量设为风机机舱总质量的5%）下的最优化参数比拼。图5(a)展现了四种状态下的塔顶位移频域响应。当风机不加任何减震器时（黑线），在塔筒一阶固有频率（约0.48Hz）附近会激起一个极高的共振尖峰。传统的TMD（红线）可以将主峰一分为二；IBA（绿线）进一步将其拆为三个小峰以分散能量。而新型的NIBA（蓝双点划线）凭借非线性刚度的宽频响应，直接让第一个主峰近乎消失，并将后续的两个小峰压制得更低，使减震频带从原先线性装置的窄范围拓宽到了[0.35 Hz, 0.51 Hz]的宽阔区间。图5(b)-(d)进一步证实，新型NIBA在大幅降低塔顶位移的同时，不仅确保了机舱加速度（图b）和平台俯仰角（图c）均处于安全合理的区间内，减震器自身的往复冲程（图d）最大值也表现得更为紧凑，极大提升了该装置在有限机舱空间内落地的可行性。

根据表格中的最优目标函数J值统计（表3），在稳态正弦激励下，NIBA相比于传统TMD和IBA分别带来了15.0%和8.1%的减震性能净提升，相比不加减震器的情况，将整体摆动指标降低了74.5% 。

为了将理论推向工程实际，研究团队模拟了真实复杂的随机海况。利用Kaimal谱生成了具有高动态波动的真实纵向随机风力时序，并基于JONSWAP谱与线性莫里森方程模拟了海浪对浮式平台的随机冲击。研究针对“中等海况”（Case A：波高2.02米，风速11.4米/秒）与“恶劣海况”（Case B：波高10.96米，风速21.7米/秒）进行了长时域的动态模拟。