几何非线性调谐质量阻尼惯性器（NTMDI）在风力机动态响应中的不确定性量化研究及其优化设计意义

推荐：针对风力机结构在参数不确定性下的动态响应问题，研究人员开展了基于几何非线性调谐质量阻尼惯性器（NTMDI）的量化分析。通过多项式混沌展开（PCE）和蒙特卡洛模拟（MCS）对比，发现刚度不确定性主要影响低频和谐振区，而风载不确定性对全频段响应显著。该研究为风力机振动控制优化提供了高效计算方法和设计依据。

　　

风力发电作为可再生能源的核心领域，其核心设备风力机的稳定性和寿命备受关注。然而，这类大型柔性结构面临材料性能波动、环境载荷不确定等挑战，易导致振动加剧和疲劳损伤。传统线性调谐质量阻尼器（TMD）虽广泛应用，但在非线性工况下性能受限。如何量化不确定性对系统的影响，并设计更优控制策略，成为工程界亟待解决的难题。

为此，研究人员开展了一项创新研究，聚焦于几何非线性调谐质量阻尼惯性器（NTMDI）在风力机动态响应中的不确定性传播机制。通过建立两自由度简化模型，结合谐波平衡-时频交替法（HB-AFT）和多项式混沌展开（PCE），系统分析了刚度、阻尼及风载参数的概率分布对系统的影响。研究发现，NTMDI相比传统TMD可降低谐振峰值振幅达18.8%，但非线性与不确定性的耦合效应会显著放大共振区的敏感性。这项发表于《Ocean Engineering》的成果，为高维不确定性下的风力机优化设计提供了新思路。

研究采用三项关键技术：1）基于HB-AFT的非线性系统求解方法，通过离散傅里叶变换处理几何非线性力；2）基于Hermite多项式的PCE框架，量化正态、均匀和瑞利分布输入的不确定性传播；3）蒙特卡洛模拟（2000-5000次采样）验证PCE的准确性。

主要研究结果
1. 确定性模型验证
通过对比OpenFAST和数值仿真，验证了简化模型的准确性。NTMDI在优化参数下（线性刚度k_d+α=5.17×10⁴ N/m，非线性刚度β=3600 N/m³）较传统TMD降低塔顶位移48.2%。

2. 单参数不确定性分析
刚度不确定性（5%标准差）导致谐振区响应带宽增加，而阻尼不确定性影响微弱。非线性刚度β的增大会引发响应跳跃现象，破坏等峰优化条件。

3. 多参数耦合效应
风载（瑞利分布）主导非谐振区响应分布，而谐振区呈现混合分布特征。PCE在7阶截断时与MCS吻合良好，但高维问题中存在吉布斯现象。

结论与意义
该研究揭示了NTMDI在不确定环境下的动态特性：1）刚度参数不确定性主要影响低频和谐振区，需优先优化；2）风载不确定性需在全频段设计中重点考虑；3）PCE为高维不确定性分析提供了计算高效的替代方案。成果对海上风力机抗灾设计和寿命预测具有重要工程价值，未来可扩展至高自由度气弹模型研究。