本发明涉及风力机动力仿真技术，具体涉及一种混合式塔架风力机动力响应计算方法及系统。
背景技术：
1、风力机作为一种复杂的结构，由叶片、机舱传动系统以及下部的支撑结构(包括塔体、基础)组成。随着风力发电技术的不断发展，混合式塔架设计越来越受到重视，因为它能够在提高风力发电效率的同时，降低整体的建设和运营成本。此外，混合式塔架还可以通过模块化设计来简化运输和安装过程，这对于偏远或地形复杂的地区尤为重要。
2、对于传统的全钢塔风力机的动力学计算，多采用多体动力学的方式进行建模和求解。多体动力学是与大型复杂的工程对象紧密结合的力学学科，其研究对象是多个物体相互连接的系统。将风力机简化为表示叶片、机舱、基础等的多个自由度，并采用欧拉-拉格朗日方程推导出风力机各个自由度的动力学方程。这种建模和计算的方法考虑了叶轮运动(包括其转动和外荷载作用下的运动)和下部支撑结构运动的耦合，得出在外荷载作用下风力机一体化运动响应。
3、然而对于混合式塔架风力机，尤其是钢-钢筋混凝土混合式塔架风力机，该类方法却难以考虑混凝土部分的非线性特性。其求解的结果也只能体现在自由度上，难以反映真实结构的力学响应。而有限元方法则常用于复杂而精细的结构，用以获取更多力学特征和更准确的结果。所以，部分研究采用了有限元方法建立结构模型，进行更细致的分析。然而，这种方法却很难考虑叶轮和塔架的相互作用，只能将叶轮简化为阻尼单元，并采用经验值或实验值确定阻尼单元的力学特性，难以反映风力机的真实动态响应。同时，其在动力学响应时程分析上，也会带来很高的计算成本。
技术实现思路
1、本发明要解决的技术问题：针对现有技术的上述问题，提供一种混合式塔架风力机动力响应计算方法及系统，建立了一个在保证计算效率的基础上能精细表达混塔式风力机的动力学模型，解决多体动力学计算方法难以计算复杂塔体结构的缺点。
2、为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：
3、一种混合式塔架风力机动力响应计算方法，包括以下步骤：
4、解耦混合式塔架风力机为叶轮系统与塔体系统，所述叶轮系统包括叶片和机舱，所述塔体系统包括支撑塔体；
5、考虑所述叶轮系统与塔体系统的相互作用进行耦合计算得到所述叶轮系统与塔体系统的动力响应，在耦合计算的每一求解时间步进行叶轮系统与塔体系统的数据交换，耦合计算时对叶轮系统进行多柔体系统计算，并对塔体系统进行有限元方法计算。
6、进一步的，对叶轮系统进行多柔体系统计算时使用动力学求解器，所述动力学求解器采用欧拉-拉格朗日方程进行动力学方程的推导；对塔体系统进行有限元方法计算时使用opensees求解器，所述opensees求解器采用opensees软件进行建模与模拟仿真。
7、进一步的，考虑所述叶轮系统与塔体系统的相互作用进行耦合计算时具体是进行非迭代耦合计算，包括：
8、获取上一时间步叶轮系统和/或塔体系统的动力响应，将上一时间步叶轮系统和/或塔体系统的动力响应输入外力计算公式，得到当前时间步的塔体系统和/或叶轮系统所受外力；
9、使用opensees求解器根据当前时间步的塔体系统所受外力计算当前时间步的塔体系统的动力响应，和/或使用动力学求解器根据当前时间步的叶轮系统所受外力计算当前时间步的叶轮系统的动力响应。
10、进一步的，考虑所述叶轮系统与塔体系统的相互作用进行耦合计算时具体是进行迭代耦合计算，包括：
11、获取当前时间步中上一迭代步叶轮系统和/或塔体系统的动力响应，将当前时间步的外荷载以及上一迭代步叶轮系统或塔体系统的动力响应输入外力计算公式，得到当前迭代步的塔体系统或叶轮系统所受外力；
12、将当前迭代步的塔体系统或叶轮系统所受外力与上一迭代步的塔体系统或叶轮系统所受外力进行比较，并判断是否满足收敛条件；
13、若不满足收敛条件，则使用opensees求解器根据当前迭代步的塔体系统所受外力计算当前迭代步的塔体系统的动力响应，或使用动力学求解器根据当前迭代步的叶轮系统所受外力计算当前迭代步的叶轮系统的动力响应，然后将当前时间步的外荷载以及当前迭代步的塔体系统或叶轮系统的动力响应输入外力计算公式，得到当前迭代步的叶轮系统或塔体系统所受外力，最后使用动力学求解器根据当前迭代步的叶轮系统所受外力计算当前迭代步的叶轮系统的动力响应，或使用opensees求解器根据当前迭代步的塔体系统所受外力计算当前迭代步的塔体系统的动力响应；
14、若满足收敛条件，进入下一时间步，并计算下一时间步的迭代初始值。
15、进一步的，所述收敛条件具体为：当前迭代步的塔体系统或叶轮系统所受外力与上一迭代步的塔体系统或叶轮系统所受外力的差值小于指定的误差极限。
16、进一步的，计算下一时间步的迭代初始值时，包括：
17、使用opensees求解器求解塔体系统的刚度值并更新至预设的风力机动力学模型中，求解更新后的风力机动力学模型，得到下一时间步的叶轮系统和塔体系统的动力响应的迭代初始值。
18、进一步的，获取当前时间步中上一迭代步叶轮系统和/或塔体系统的动力响应之前，还包括计算前时间步的外荷载的步骤，包括：
19、在实际风场的作用下，采用叶素动量理论计算叶轮系统的叶片所受风荷载，并利用虚功原理计算叶轮系统和塔体系统每一自由度的广义外力。
20、进一步的，使用动力学求解器以及使用opensees求解器时，计算公式如下：
21、
22、其中，为动力学求解器，为opensees求解器，qblade,qtower分别为叶轮系统与塔体系统的外荷载作用力，为塔体系统运动对叶轮系统产生的广义力，为叶轮系统运动对塔体系统产生的广义力，分别为塔体系统的动力响应中的位移、速度以及加速度变量，分别为叶轮系统的动力响应中的位移、速度以及加速度变量，cblade,kblade分别为叶轮系统的叶片六个自由度的阻尼以及刚度矩阵。
23、进一步的，所述外力计算公式的表达式如下：
24、
25、其中，和fblade为塔体系统运动对叶轮系统产生的广义力，和ftower为叶轮系统运动对塔体系统产生的广义力，广义力fblade与ftower写作：
26、
27、其中，mblade,cblade,kblade分别为叶轮系统的叶片六个自由度的质量、阻尼以及刚度矩阵，mtower,ctower,ktower为塔体系统的塔体顶部两个自由度的质量、阻尼以及刚度矩阵。
28、本发明还提出一种混合式塔架风力机动力响应计算系统，包括互相连接的微处理器和计算机存储介质，所述微处理器被编程或者配置以执行任一项所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法。
29、与现有技术相比，本发明的优点在于：
30、本发明采用子系统的方式，解耦混合式塔架风力机为叶轮系统与塔体系统，有利于考虑更复杂的塔体模型，同时考虑两个子系统的相互作用进行耦合计算，其中对叶轮系统进行多柔体系统计算，并对塔体系统进行有限元方法计算，对于不同复杂度的系统采用不一样的计算方法，提高了风力机动态响应模拟的效率。
1.一种混合式塔架风力机动力响应计算方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法，其特征在于，对叶轮系统进行多柔体系统计算时使用动力学求解器，所述动力学求解器采用欧拉-拉格朗日方程进行动力学方程的推导；对塔体系统进行有限元方法计算时使用opensees求解器，所述opensees求解器采用opensees软件进行建模与模拟仿真。
3.根据权利要求2所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法，其特征在于，考虑所述叶轮系统与塔体系统的相互作用进行耦合计算时具体是进行非迭代耦合计算，包括：
4.根据权利要求2所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法，其特征在于，考虑所述叶轮系统与塔体系统的相互作用进行耦合计算时具体是进行迭代耦合计算，包括：
5.根据权利要求4所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法，其特征在于，所述收敛条件具体为：当前迭代步的塔体系统或叶轮系统所受外力与上一迭代步的塔体系统或叶轮系统所受外力的差值小于指定的误差极限。
6.根据权利要求4所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法，其特征在于，计算下一时间步的迭代初始值时，包括：
7.根据权利要求4所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法，其特征在于，获取当前时间步中上一迭代步叶轮系统和/或塔体系统的动力响应之前，还包括计算前时间步的外荷载的步骤，包括：
8.根据权利要求3或4所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法，其特征在于，使用动力学求解器以及使用opensees求解器时，计算公式如下：
9.根据权利要求8所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法，其特征在于，所述外力计算公式的表达式如下：
10.一种混合式塔架风力机动力响应计算系统，其特征在于，包括互相连接的微处理器和计算机存储介质，所述微处理器被编程或者配置以执行权利要求1～9任一项所述的混合式塔架风力机动力响应计算方法。
