基于波浪能转换器启发的双质量摆式超低频阻尼器在海上风机振动控制中的应用研究

为解决海上风机(OWT)在复杂风浪荷载下的低频振动控制难题，研究人员创新性地借鉴波浪能转换器(WEC)中的双质量摆(DMP)结构，首次提出双质量摆阻尼器(DMPD)概念。通过固定点理论推导最优参数，数值模拟验证其在OWTs中的控制效能，结果显示DMPD在保持与单摆阻尼器(SPTMD)相当减振效果的同时，可节省19%以上安装空间，为机舱内紧凑空间部署提供新方案。

　　

海上风机(OWT)作为清洁能源的重要载体，长期面临风浪流耦合荷载引发的低频振动难题。传统单摆调谐质量阻尼器(SPTMD)虽能有效控制振动，但为实现0.2-0.3Hz超低频调谐需要数十米摆长，导致其难以安装在振动幅值最大的机舱部位。这一矛盾促使研究者将目光投向波浪能转换器(WEC)领域——该领域为捕获低频波浪能而开发的双质量摆(DMP)结构，能在0.3米长度内实现0.2-1.4Hz频率调节，展现出惊人的空间效率。

四川大学与香港理工大学联合团队敏锐捕捉到这一跨学科创新机遇，在《Ocean Engineering》发表的研究中首次将DMP结构改造为振动控制装置(DMPD)。研究采用固定点理论推导出DMPD频率调谐比γ_d、阻尼比ξ_d和摆长比α的解析解，通过传递函数分析和时域模拟验证其控制效能。关键技术包括：建立DMPD-OWT耦合动力学模型，采用Kaimal谱模拟湍流风场与JONSWAP谱生成不规则波浪，对比分析DMPD与SPTMD在额定/极端工况下的位移响应谱。

DMPD优化验证
通过单自由度体系频率响应分析发现，当质量比μ=0.01时，最优参数组合(γ_d=0.988, ξ_d=0.039)可使结构位移响应最小化，与理论解误差<1%。摆长比α的引入使DMPD在0.5-1.5m长度内实现等效SPTMD需1.8m才能达到的0.25Hz调谐频率。

风浪激励下的OWT控制
在5MW参考风机模型中，DMPD使机舱位移标准差降低42.7%，与SPTMD效果相当。特别值得注意的是，当限制安装空间为机舱高度1/3时，DMPD因可调节α参数仍保持85%减振效率，而SPTMD因摆长不足完全失效。

控制性能与空间效率的权衡
研究揭示核心参数α的双重效应：增大α可提升17%控制能力，但需牺牲9%空间效率。通过参数敏感性分析提出分级设计策略：空间受限时取α=0.6实现紧凑部署；允许较大空间时选α=1.2获取更优控制。

结论与展望
该研究证实DMPD作为新型被动控制装置，成功突破"超低频调谐必需长摆长"的传统认知。其创新价值体现在：1) 理论层面首次建立DMPD优化设计框架；2) 工程层面为OWT机舱内直接安装阻尼器提供可能；3) 方法学上展示从能源装置到振动控制的逆向创新路径。团队建议后续研究应关注DMPD非线性动力学行为及其与半主动控制的融合，以进一步提升鲁棒性。这项源于海洋能源的跨界研究，为解决风电行业卡脖子问题提供了崭新思路。