2025-11-04 17:06:29 +08:00
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- copilot-conversation
---
**user**: [[Tower]]分析主要内容
[Timestamp: 2025/11/03 10:16:47]
**ai**: 根据笔记 [[Tower]] 的内容，其主要分析了在动力学模型中，风力机塔筒的分布式特性所产生的各种广义力。以下是其核心内容的总结：
### 1. 核心思想与模型简化
笔记首先阐述了塔筒的分布式特性会带来与**塔筒弹性、阻尼、气动特性和重量**相关的广义惯性力和广义主动力。
为了简化模型并使其更直观，笔记作者做出了以下关键决定：
* **移除质量调谐器 (Mass Tuners)** ：在调整塔筒频率时，同时使用质量和刚度调谐器是多余的。保留刚度调谐器更为有利，因为质量调谐器会直接影响塔基载荷的计算，使相关方程变得非常复杂和不直观。
* **移除刚度调谐器对重力去刚化 (Gravitational Destiffening) 的影响** ：同样是为了简化塔基载荷方程。这一做法是合理的，因为重力去刚化的影响相对于塔筒的整体刚度来说很小。
### 2. 广义力的推导
笔记详细推导了由不同物理效应产生的广义力，以及它们如何贡献于系统的运动方程 $[C(\mathbf{q},t)]\ddot{\mathbf{q}} = -f(\dot{\mathbf{q}},\mathbf{q},t)$。
* **广义惯性力 ($F_r^* \Big|_T$)** :
* 由塔筒自身的质量分布和塔顶的偏航轴承质量 (YawBrMass) 产生。
* 这部分贡献了系统的**质量矩阵 $[C(\mathbf{q},t)]_T$** 和与速度相关的**科里奥利/向心力项 $\{-f(\dot{q},q,t)\}|_T$**。
* **广义弹性力 ($F_{r \Big| ElasticT}$)** :
* 源于塔筒的弹性变形，通过应变能对广义坐标求偏导得出。
* 定义了前后 (Fore-Aft, TFA) 和侧向 (Side-to-Side, TSS) 的广义刚度矩阵 $k_{ij}^{'TFA}$ 和 $k_{ij}^{'TSS}$。这些刚度考虑了模态刚度调谐器 (`FAStTunr` , `SSStTunr` )，以便更好地匹配塔筒的固有频率。
* 这部分贡献了系统的**力向量 $\{-f(\dot{q},q,t)\}|_{\text{Elastic}T}$**。
* **广义阻尼力 ($F_r |_{\text{Damp}T}$)** :
* 采用瑞利阻尼 (Rayleigh damping) 模型，假设阻尼与刚度成正比。
* 阻尼力的大小取决于各阶模态的结构阻尼比 ($\zeta$)、广义刚度 ($k'$) 和不考虑塔顶质量影响的固有频率 ($f'$)。
* 这部分也贡献了系统的**力向量 $\{-f(\dot{q},q,t)\}|_{\text{Damp}T}$**。
* **广义重力 ($F_r |_{\text{Grav}T}$)** :
* 由塔筒沿高度分布的质量和塔顶质量在重力场中所受的力产生。
* 这部分贡献了系统的**力向量 $\{-f(\dot{q},q,t)\}|_{\text{Grav}T}$**。
* **广义气动力 ($F_r |_{\text{Aero}T}$)** :
* 由作用在塔筒上的分布式气动力和气动力矩产生。
* 这部分贡献了系统的**力向量 $\{-f(\dot{q},q,t)\}|_{\text{Aero}T}$**。
总而言之，该笔记系统地分解了塔筒在动态响应中的受力情况，并为每一种力提供了详细的数学表达式，最终将它们整合到统一的动力学方程框架中。
[Timestamp: 2025/11/03 10:17:07]
**user**: [[Tower]]展开推导过程
[Timestamp: 2025/11/03 10:22:19]
**ai**: 好的，我们来详细展开笔记 [[Tower]] 中的推导过程。
该笔记的推导遵循**凯恩方法 (Kane's Method)**，其核心思想是将所有力分为**广义主动力 (Generalized Active Forces)** $F_r$ 和**广义惯性力 (Generalized Inertia Forces)** $F_r^*$。系统的动力学方程为：
$F_r + F_r^* = 0$
在FAST v8的符号体系中，
* $[C]\ddot{\mathbf{q}}$ 部分来自于广义惯性力中与广义加速度 $\ddot{q}$ 相关的项。
* $-f$ 部分则包含了广义惯性力中与广义速度 $\dot{q}$ 相关的项（如科里奥利力、离心力）以及所有的广义主动力（弹性力、阻尼力、重力、气动力等）。
下面我们逐一分析每个部分的推导过程。
---
### 1. 广义惯性力 ($F_r^* \Big|_T$)
这部分力是由于塔筒自身的质量和加速度产生的。
* **推导起点 (Eq. 1)** :
$$ F_r^* \Big|_T = - \int_0^{TwFlexL} \mu^T (h) \cdot {}^E v_r^T (h) \cdot {}^E a^T (h)dh - YawBrMass {}^E v_r^O \cdot {}^E a^O $$
这是凯恩方法中广义惯性力的标准定义。它由两部分组成：
1. **分布式质量的贡献** ：对整个柔性塔筒长度 (`TwrFlexL` ) 进行积分。被积函数是塔筒上任意一点 `h` 处的达朗贝尔力 ($-\mu^T(h) \cdot {}^E a^T(h)$) 在第 `r` 个广义速度方向上的投影。
* $\mu^T(h)$: 塔筒在高度 `h` 处的线密度（单位长度质量）。
* ${}^E a^T(h)$: 塔筒在高度 `h` 处的绝对加速度。
* ${}^E v_r^T(h)$: 塔筒在高度 `h` 处的点相对于第 `r` 个广义速度的**偏速度 (partial velocity)**。
2. **集中质量的贡献** ：位于塔顶的偏航轴承质量 (`YawBrMass` ) 产生的惯性力。其形式与积分项类似，但作用于塔顶 `O` 点。
* **加速度项展开 (Eq. 2)** :
为了分离出与 $\ddot{q}$ 和 $\dot{q}$ 相关的项，需要将绝对加速度 ${}^E a$ 进行展开。任意一点的绝对速度 ${}^E \mathbf{v}$ 可以表示为广义速度的线性组合：${}^E \mathbf{v} = \sum_{i} {}^E \mathbf{v}_i \dot{q}_i + {}^E \mathbf{v}_t$。其对时间的导数即为加速度：
$$ {}^E \mathbf{a} = \frac{d}{dt}({}^E \mathbf{v}) = \sum_{i=1}^{10} {}^E \mathbf{v}_i \ddot{q}_i + \sum_{i=4}^{10} \frac{d}{dt}({}^E \mathbf{v}_i) \dot{q}_i $$
将这个展开式代入 (Eq. 1) 就得到了 (Eq. 2)。这个式子明确地将加速度分成了两部分：
1. 与 $\ddot{q}_i$ 成线性关系的部分。
2. 与 $\dot{q}_i$ 成线性关系的部分（包含偏速度的时间导数）。
* **分离质量矩阵和力向量 (Eq. 3 & 4)** :
将 (Eq. 2) 代入动力学方程 $F_r + F_r^* = 0$，并将所有项移到一边，整理成 $[C]\ddot{\mathbf{q}} + f = 0$ 的形式。
* **质量矩阵 $[C]_T$ (Eq. 3)** ：所有乘以 $\ddot{q}_{Col}$ 的系数项构成了质量矩阵的第 `(Row, Col)` 个元素。从 (Eq. 2) 中提取这些系数，就得到了 (Eq. 3)。
* **力向量 $\{-f\}_T$ (Eq. 4)** ：
---
### 2. 广义弹性力 ($F_{r \Big| ElasticT}$)
这部分力来自于塔筒的弹性变形。
* **推导起点 (Eq. 5)** :
$$ F_{r \Big| ElasticT} = - \frac{\partial V'^T}{\partial q_r} $$
对于保守力（如弹性力），广义力可以由势能 $V'^T$ (这里指塔筒的弹性应变能) 对相应的广义坐标 $q_r$ 求偏导并取负号得到。
* **具体形式 (Eq. 6)** :
对于梁的弯曲变形，其应变能与位移的二阶导数（曲率）的平方成正比。经过推导，可以得到广义力是广义坐标的线性组合，即 $F = -[K]q$。 (Eq. 6) 就是这种线性关系的分量形式，其中 $k'_{ij}$ 是广义刚度矩阵的元素。它只对塔筒的自由度 (TFA1, TSS1, TFA2, TSS2) 有非零值。
* **广义刚度矩阵 (Eq. 7-10)** :
广义刚度 $k'_{ij}$ 的表达式来自于结构动力学中的标准推导：
$$ k'_{ij} = \int_0^{L} EI(h) \frac{d^2 \phi_i(h)}{dh^2} \frac{d^2 \phi_j(h)}{dh^2} dh $$
* $EI(h)$: 沿塔高的抗弯刚度。
* $\phi_i(h)$: 第 `i` 阶振动模态的振型函数。
* $\frac{d^2 \phi(h)}{dh^2}$: 振型的曲率。
笔记中的 (Eq. 7) 和 (Eq. 9) 在此基础上增加了**刚度调谐器** `FAStTunr(i)` 和 `SSStTunr(i)` ，允许用户微调每个模态的刚度，以更好地匹配实验或仿真得到的塔筒频率。
* **对系统方程的贡献 (Eq. 15 & 16)** :
* 弹性力只与位移 $q$ 有关，与 $\ddot{q}$ 无关，因此它对质量矩阵 $[C]$ 的贡献为零 (Eq. 15)。
* 弹性力是主动力的一部分，因此它贡献给力向量 $f$。将 (Eq. 6) 写入向量形式，就得到了 (Eq. 16)。
---
### 3. 广义阻尼力 ($F_r |_{\text{Damp}T}$)
这里采用与刚度成正比的**瑞利阻尼**模型。
* **推导起点 (Eq. 11)** :
模态阻尼的标准形式是 $F_{damp} = -[C_{damp}]\dot{q}$，其中阻尼矩阵 $[C_{damp}]$ 的对角项为 $c_{ii} = 2\zeta_i \omega_i m_{ii}$。其中 $\omega_i = 2\pi f_i$ 是固有圆频率。
$c_{ii} = 2\zeta_i (2\pi f_i) m_{ii}$。
又因为 $k_{ii} = \omega_i^2 m_{ii} = (2\pi f_i)^2 m_{ii}$，所以 $m_{ii} = \frac{k_{ii}}{(2\pi f_i)^2}$。
代入可得：
$c_{ii} = 2\zeta_i (2\pi f_i) \frac{k_{ii}}{(2\pi f_i)^2} = \frac{\zeta_i k_{ii}}{\pi f_i}$。
因此，广义阻尼力为 $F_{r, damp} = -\sum_j c_{rj} \dot{q}_j = -\sum_j \frac{\zeta_j k'_{rj}}{\pi f'_j} \dot{q}_j$。这就是 (Eq. 11) 的来源。
* **频率和广义质量的定义 (Eq. 12-14)** :
为了计算阻尼系数，需要定义未耦合的固有频率 $f'$ (Eq. 12) 和广义质量 $m'$ (Eq. 13, 14)。这些都是模态分析中的标准定义，其中广义质量是通过对质量密度与振型函数乘积的积分得到的。
* **对系统方程的贡献 (Eq. 17 & 18)** :
* 阻尼力只与速度 $\dot{q}$ 有关，与 $\ddot{q}$ 无关，因此它对质量矩阵 $[C]$ 的贡献为零 (Eq. 17)。
* 阻尼力是主动力的一部分，贡献给力向量 $f$。将 (Eq. 11) 写入向量形式，得到 (Eq. 18)。
---
### 4. 广义重力 ($F_r |_{\text{Grav}T}$)
* **推导起点 (Eq. 19)** :
这是广义主动力的标准定义：$F_r = \int \mathbf{F}_{applied} \cdot \mathbf{v}_r dV$。
* 作用在塔筒微元上的重力为 $d\mathbf{F}_{grav} = -\mu^T(h) g \mathbf{z}_2 dh$。
* 将其与偏速度 ${}^E \mathbf{v}_r^T(h)$ 点乘，并沿塔高积分，得到分布式质量的贡献。
* 再加上塔顶集中质量的重力贡献 $(-\text{YawBrMass} \cdot g \mathbf{z}_2) \cdot {}^E \mathbf{v}_r^O$，就得到了 (Eq. 19)。
* **对系统方程的贡献 (Eq. 20 & 21)** :
* 重力与 $\ddot{q}$ 和 $\dot{q}$ 都无关，因此对 $[C]$ 的贡献为零 (Eq. 20)。
* 重力是主动力，贡献给力向量 $f$ (Eq. 21)。
---
### 5. 广义气动力 ($F_r |_{\text{Aero}T}$)
* **推导起点 (Eq. 22)** :
这同样是广义主动力的标准定义，但同时考虑了力和力矩：
$F_r = \int (\mathbf{F}_{applied} \cdot \mathbf{v}_r + \mathbf{M}_{applied} \cdot \boldsymbol{\omega}_r) dh$
* $\mathbf{F}_{\text{Aero}T}^T(h)$: 作用在塔筒单位高度上的气动力。
* $\mathbf{M}_{\text{Aero}T}^F(h)$: 作用在塔筒单位高度上的气动力矩。
* ${}^E \boldsymbol{\omega}_r^F(h)$: 塔筒截面相对于第 `r` 个广义速度的**偏角速度 (partial angular velocity)**。
将它们点乘并沿塔高积分，得到总的广义气动力。
* **对系统方程的贡献 (Eq. 23 & 24)** :
* 气动力是外部施加的力，与 $\ddot{q}$ 无关，因此对 $[C]$ 的贡献为零 (Eq. 23)。
* 气动力是主动力，贡献给力向量 $f$ (Eq. 24)。
通过以上步骤，笔记将塔筒的惯性、弹性、阻尼、重力和气动效应全部分解，并推导了它们各自对系统动力学方程（质量矩阵 $[C]$ 和力向量 $f$）的贡献。
[Timestamp: 2025/11/03 10:23:05]
**user**: 现在在此基础上做简化， ，
[Timestamp: 2025/11/03 10:55:11]
**ai**: 好的，我们基于笔记 [[Tower]] 的完整动力学方程， ，
这个简化的核心物理意义是：我们不再分析塔筒的振动和动态响应，而是求解其在**恒定**外部载荷（如恒定的风）作用下的**静态平衡**位置。
### 1. 简化假设
1. **稳态过程 (Steady-State)** : 系统的状态不随时间变化。
2. **加速度为零 ($\ddot{q} = 0$)** : 这是稳态的直接结果，意味着广义加速度为零。
3. **速度为零 ($\dot{q} = 0$)** : 在结构静力学中，稳态通常指**静态平衡 (static equilibrium)**，即系统不仅没有加速度，也没有速度。因此，所有广义速度也为零。
### 2. 对动力学方程的影响
原始的动力学方程是：
$F_r^* + F_r = 0$
或者写成矩阵形式：
$[C(\mathbf{q},t)]\ddot{\mathbf{q}} = -f(\dot{\mathbf{q}},\mathbf{q},t)$
根据我们的简化假设，我们来分析方程的各个组成部分会发生什么变化。
#### a. 广义惯性力 ($F_r^* \Big|_T$)
广义惯性力包含与加速度 ($\ddot{q}$) 和速度 ($\dot{q}$) 相关的项。
* **与加速度相关的项** :
由于我们假设 $\ddot{q} = 0$，整个质量矩阵项 $[C(\mathbf{q},t)]\ddot{\mathbf{q}}$ 变为零。这意味着在静态平衡中，质量和惯性不再起作用。
* **与速度相关的项 (Eq. 4)** :
这一项（代表科里奥利力和离心力）与 $\dot{q}_i$ 成正比。由于我们假设 $\dot{q} = 0$，这一项也变为零。
$$ \left\{ - f(\dot{q},q,t) \right\} \Big|_T = 0 $$
**结论：在稳态（静态）假设下，整个广义惯性力 $F_r^* \Big|_T$ 为零。**
#### b. 广义阻尼力 ($F_r |_{\text{Damp}T}$)
阻尼力 (Eq. 11) 与广义速度 $\dot{q}$ 成正比。
* 由于 $\dot{q} = 0$，所有阻尼力项都变为零。
$$ F_r |_{\text{Damp}T} = 0 $$
**结论：在静态分析中，结构阻尼不产生任何力。**
#### c. 保持不变的力
以下这些力仅与系统的位置/位移 ($q$) 或外部条件有关，与运动状态（速度和加速度）无关，因此在简化后**依然存在**。
1. **广义弹性力 ($F_{r \Big| ElasticT}$)** :
该力由塔筒的变形产生，仅是广义坐标 $q$ 的函数 (Eq. 6)。它代表了结构抵抗变形的恢复力。
$$ F_{r \Big| ElasticT} = -[K']\mathbf{q} $$
2. **广义重力 ($F_r |_{\text{Grav}T}$)** :
该力由塔筒自身重量产生 (Eq. 19)。它的大小和方向取决于塔筒的几何形状和位置 $q$。
3. **广义气动力 ($F_r |_{\text{Aero}T}$)** :
在稳态分析中，我们假设风速是恒定的，因此作用在塔筒上的气动力和力矩也是恒定的 (Eq. 22)。这成为一个**恒定的外部载荷**。
### 3. 简化后的最终方程
原始的动力学方程 $F_r^* + F_r = 0$ 中，广义主动力 $F_r$ 是所有非惯性力的总和：
$F_r = F_{r \Big| ElasticT} + F_r |_{\text{Damp}T} + F_r |_{\text{Grav}T} + F_r |_{\text{Aero}T}$
将简化结果代入，我们得到：
$0 + (F_{r \Big| ElasticT} + 0 + F_r |_{\text{Grav}T} + F_r |_{\text{Aero}T}) = 0$
因此，描述塔筒稳态（静态）平衡的最终方程为：
$$ F_{r \Big| ElasticT} + F_{r \Big| GravT} + F_{r \Big| AeroT} = 0 $$
### 总结
这个简化后的方程具有非常清晰的物理意义：
**塔筒的内部弹性恢复力 ($F_{r \Big| ElasticT}$) 与作用在其上的外部载荷（重力 $F_{r \Big| GravT}$ 和稳态气动力 $F_{r \Big| AeroT}$）相平衡。**
这本质上是一个**非线性静力学问题**。我们需要求解一组代数方程（而非微分方程）来找到唯一的广义坐标 $\mathbf{q}$，这个 $\mathbf{q}$ 就描述了塔筒在恒定风载和重力作用下的最终变形形状。
[Timestamp: 2025/11/03 10:55:43]
**user**: [[FillAugmat]][[Tower]] 解释其中与塔架动力学计算的内容
[Timestamp: 2025/11/03 11:30:30]
**ai**: 好的，我们来结合理论笔记 [[Tower]] 和代码笔记 [[FillAugmat]]，详细解释其中与塔架动力学计算相关的内容。
[[Tower]] 笔记提供了风力机塔筒动力学模型的**理论基础和数学推导**。它详细描述了塔筒的广义惯性力、弹性力、阻尼力、重力和气动力是如何用数学公式表达的。
[[FillAugmat]] 笔记中的 Fortran 子程序则是将这些理论公式**付诸实践的数值实现**。这个程序的核心任务是填充一个**增广矩阵 (Augmented Matrix)** `AugMat` 。这个矩阵代表了整个风力机系统的动力学方程：
$[C(\mathbf{q},t)]\ddot{\mathbf{q}} = -f(\dot{\mathbf{q}},\mathbf{q},t)$
其中 `AugMat` 的结构可以理解为 `[ [C] | {-f} ]` 。它的前 N 列是质量矩阵 `[C]` ，最后一列 (`p%NAug` ) 是力向量 `{-f}` 。
下面我们将 [[Tower]] 中的理论公式与 [[FillAugmat]] 中的代码实现一一对应起来进行解释。
---
### 1. 广义惯性力 (质量矩阵和惯性力)
这部分对应于 $[C(\mathbf{q},t)]_T$ 和 $\{-f(\dot{q},q,t)\}|_T$ 的计算。
#### **理论 ([[Tower]], Eq. 3 & 4):**
* **质量矩阵 $[C]_T$** : 由两部分组成：
1. 对塔筒分布式质量的积分：$\int_0^{TwrFlexL} \mu^T (h) {}^E \mathbf{v}_{Row}^T (h) \cdot {}^E \mathbf{v}_{Col}^T (h)dh$
2. 塔顶偏航轴承质量的贡献：$YawBrMass \cdot {}^E \mathbf{v}_{Row}^O \cdot {}^E \mathbf{v}_{Col}^O$
* **力向量 $\{-f\}_T$** : 同样由分布式质量和偏航轴承质量产生，与速度 $\dot{q}$ 相关（科里奥利力/离心力）。
#### **代码实现 ([[FillAugmat]]):**
代码通过将塔筒离散为多个节点 (`TwrNodes` )，用求和代替积分来实现。
1. **偏航轴承质量 (`YawBrMass`) 的贡献** :
```fortran
! Initialize the portions of the mass matrix ... using the yaw bearing mass effects.
DO L = 1,p%DOFs%NPTTE
DO I = L,p%DOFs%NPTTE
AugMat(p%DOFs%PTTE(I),p%DOFs%PTTE(L)) = p%YawBrMass*DOT_PRODUCT( RtHSdat%PLinVelEO(p%DOFs%PTTE(I),0,:), & ! [C(q,t)]T of YawBrMass
RtHSdat%PLinVelEO(p%DOFs%PTTE(L),0,:) )
ENDDO
ENDDO
```
* **解释** : 这段代码完全对应理论公式的第二部分。它计算了偏航轴承质量 (`p%YawBrMass` ) 对质量矩阵的贡献。`RtHSdat%PLinVelEO` 就是塔顶 O 点的偏速度 ${}^E \mathbf{v}^O$。`DOT_PRODUCT` 实现了向量点乘。
2. **塔筒分布式质量的贡献** :
```fortran
! Integrate to find the portions of the mass matrix ... associated with purely tower DOFs
DO J = 1,p%TwrNodes
...
DO L = 1,p%DOFs%NPTTE
DO I = L,p%DOFs%NPTTE
AugMat(p%DOFs%PTTE(I),p%DOFs%PTTE(L)) = AugMat(...) + p%TElmntMass(J) * DOT_PRODUCT( RtHSdat%PLinVelET(J,...), RtHSdat%PLinVelET(J,...) )
ENDDO
ENDDO
...
ENDDO ! J - Tower nodes / elements
```
* **解释** : 这段代码通过 `DO J = 1,p%TwrNodes` 循环，对所有塔筒单元进行遍历，实现了数值积分。`p%TElmntMass(J)` 相当于理论中的 $\mu^T(h)dh$，即单元质量。`RtHSdat%PLinVelET(J,...)` 则是塔筒 J 节点的偏速度 ${}^E \mathbf{v}^T(h)$。这完全对应了理论公式的第一部分。
3. **惯性相关的力向量贡献** :
```fortran
! Forcing vector from YawBrMass
TmpVec1 = -p%YawBrMass*( p%Gravity*CoordSys%z2 + RtHSdat%LinAccEOt )
DO I = 1,p%DOFs%NPTTE
AugMat(p%DOFs%PTTE(I), p%NAug) = DOT_PRODUCT( RtHSdat%PLinVelEO(...), TmpVec1 )
ENDDO
! Forcing vector from distributed mass (integrated)
DO J = 1,p%TwrNodes
TmpVec1 = ... - p%TElmntMass(J)*( p%Gravity*CoordSys%z2 + RtHSdat%LinAccETt(:,J) )
...
DO I = 1,p%DOFs%NPTTE
AugMat(p%DOFs%PTTE(I), p%NAug) = AugMat(...) + DOT_PRODUCT( RtHSdat%PLinVelET(J,...), TmpVec1 )
ENDDO
ENDDO
```
* **解释** : 这部分计算了力向量 `{-f}` 。代码中的 `LinAccEOt` 和 `LinAccETt` 是与 $\ddot{q}$ 无关的加速度项（即科里奥利/离心加速度）。`TmpVec1` 计算了达朗贝尔力（`-m*a` ）和重力（`-m*g` ）的总和。然后通过与偏速度 `PLinVelE...` 点乘，计算出它们在力向量 `{-f}` 中的贡献。这与 [[Tower]] 中的 Eq. 4 (惯性力) 和 Eq. 21 (重力) 的实现相对应。
---
### 2. 广义弹性和阻尼力
这部分对应于 $\{-f(\dot{q},q,t)\}|_{\text{Elastic}T}$ 和 $\{-f(\dot{q},q,t)\}|_{\text{Damp}T}$ 的计算。
#### **理论 ([[Tower]], Eq. 6, 11, 16, 18):**
* **弹性力** : 形式为 $-k_{ij}q_j$，是广义位移 $q$ 的线性函数。
* **阻尼力** : 形式为 $-c_{ij}\dot{q}_j$，是广义速度 $\dot{q}$ 的线性函数。
* 它们都只贡献给力向量 `{-f}` ，对质量矩阵 `[C]` 没有贡献。
#### **代码实现 ([[FillAugmat]]):**
```fortran
! If the associated DOFs are enabled, add the tower elasticity and damping forces to the forcing vector
IF ( p%DOF_Flag(DOF_TFA1) ) THEN
AugMat(DOF_TFA1,p%NAug) = AugMat(DOF_TFA1,p%NAug) &
- p%KTFA(1,1)*x%QT( DOF_TFA1) - p%KTFA(1,2)*x%QT( DOF_TFA2) & ! Elasticity
- p%CTFA(1,1)*x%QDT(DOF_TFA1) - p%CTFA(1,2)*x%QDT(DOF_TFA2) ! Damping
ENDIF
2025-11-17 08:58:42 +08:00
! ... (similar blocks for TSS1, TFA2, TSS2) ...
```
2025-11-04 17:06:29 +08:00
* **解释** : 这段代码是理论公式的**直接翻译**。
* `p%KTFA` 和 `p%KTSS` 是广义刚度矩阵 $k'_{ij}$。
* `p%CTFA` 和 `p%CTSS` 是广义阻尼矩阵 $c_{ij}$ (即理论中的 $\frac{\zeta k'}{\pi f'}$ 项)。
* `x%QT(...)` 是广义位移 $q$。
* `x%QDT(...)` 是广义速度 $\dot{q}$。
* 计算结果被直接累加到增广矩阵的最后一列 (`p%NAug` )，即力向量 `{-f}` 中，这与理论完全吻合。
---
2025-11-17 08:58:42 +08:00
2025-11-04 17:06:29 +08:00
### 3. 耦合项：机舱和叶轮对塔架的影响
[[Tower]] 笔记主要关注由塔筒自身属性产生的力。但在一个完整的系统中，塔筒的运动还受到其上部结构（机舱、发电机、轮毂、叶片等）的惯性影响。
#### **理论**:
当塔筒运动时（例如，一阶前后弯曲 `TFA1` ） ， （ ） ， `[C]` 和力向量 `{-f}` 中的**耦合项**。
#### **代码实现 ([[FillAugmat]]):**
在程序的后半部分，通过所谓的**“局部载荷 (partial loads)”**来计算这些耦合项。
```fortran
! Now that all of the partial loads have been found, let's fill in the portions of the mass matrix ...
IF ( p%DOF_Flag (DOF_TFA1) ) THEN
DO I = p%DOFs%Diag(DOF_TFA1),p%DOFs%NActvDOF
AugMat(p%DOFs%SrtPS(I),DOF_TFA1) = AugMat(...) &
- DOT_PRODUCT( RtHSdat%PLinVelEO(DOF_TFA1,0,:), RtHSdat%PFrcONcRt(:,p%DOFs%SrtPS(I)) ) &
- DOT_PRODUCT( RtHSdat%PAngVelEB(DOF_TFA1,0,:), RtHSdat%PMomBNcRt(:,p%DOFs%SrtPS(I)) )
ENDDO
AugMat(DOF_TFA1, p%NAug) = AugMat(...) &
+ DOT_PRODUCT( RtHSdat%PLinVelEO(DOF_TFA1,0,:), RtHSdat%FrcONcRtt ) &
+ DOT_PRODUCT( RtHSdat%PAngVelEB(DOF_TFA1,0,:), RtHSdat%MomBNcRtt )
ENDIF
```
* **解释** :
* `RtHSdat%PFrcONcRt` 和 `RtHSdat%PMomBNcRt` 是关键变量，它们代表了由 RNA 运动产生的**局部力和力矩**。
* `RtHSdat%PLinVelEO(DOF_TFA1,0,:)` 是塔筒 `TFA1` 自由度在塔顶 O 点产生的偏速度。
* 代码通过将塔顶的偏速度/偏角速度与 RNA 的局部载荷做点积，计算出 RNA 的惯性对塔筒自由度 (`DOF_TFA1` ) 对应方程的贡献。这部分计算了质量矩阵中**塔筒自由度**与其他**非塔筒自由度**之间的耦合项，以及 RNA 惯性力对塔筒力向量的贡献。
### 总结
* [[Tower]] 提供了“做什么”的理论蓝图，定义了所有需要计算的物理量。
* [[FillAugmat]] 提供了“怎么做”的数值方法，它通过以下步骤实现了理论：
1. **离散化** : 将连续的塔筒模型变为一系列离散的单元和节点。
2. **数值积分** : 用对所有单元的求和来代替理论公式中的积分。
3. **直接计算** : 对于像弹簧和阻尼这样的集中力，直接根据代数公式计算。
4. **模块化/局部载荷** : 使用预先计算好的上部结构载荷来高效地处理复杂的耦合动力学问题。
通过这种方式，代码精确地将 [[Tower]] 笔记中描述的连续体力学模型转化为了计算机可以求解的离散线性代数问题。
[Timestamp: 2025/11/03 11:31:18]
**user**: 现在在此基础上做简化， ， ， ，
[Timestamp: 2025/11/03 14:28:44]
**ai**: 好的，我们来探讨如何基于 [[Tower]] 的理论和 [[FillAugmat]] 的代码实现，进行简化以求解稳态（静态）下的广义位移 `q` 。
### 1. 理论基础：从动态到静态
如前所述，稳态分析的核心是移除所有与时间变化相关的项。
原始动态方程:
$[C(\mathbf{q},t)]\ddot{\mathbf{q}} + f_{damp}(\dot{\mathbf{q}}) + f_{inertial}(\dot{\mathbf{q}}, \mathbf{q}) + f_{elastic}(\mathbf{q}) = F_{ext}(\mathbf{q})$
简化假设:
* 加速度 $\ddot{\mathbf{q}} = 0$
* 速度 $\dot{\mathbf{q}} = 0$
简化后的静态平衡方程:
$f_{elastic}(\mathbf{q}) = F_{ext}(\mathbf{q})$
其中：
* $f_{elastic}(\mathbf{q})$ 是由结构弹性产生的恢复力，可以写成 $[K]\mathbf{q}$ 的形式，其中 $[K]$ 是**刚度矩阵**。
* $F_{ext}(\mathbf{q})$ 是所有外部载荷（重力、稳态气动力等）产生的广义力，组成**外力向量**。
因此，我们的最终目标是求解一个线性代数方程组：
$$ [K]\mathbf{q} = \mathbf{F}_{ext} $$
解出这个方程，就能得到稳态位移向量 $\mathbf{q}$。
### 2. 代码整理思路：从 `FillAugmat` 到 `SolveStatic`
`FillAugmat` 的任务是构建增广矩阵 `[ [C] | {-f} ]` 。我们的新任务是构建刚度矩阵 `[K]` 和外力向量 `F_ext` 。
这意味着我们需要修改 `FillAugmat` 的逻辑，将其转变为一个新的子程序，例如 `SolveStaticTower` 。这个新程序将执行以下操作：
1. **忽略所有质量/惯性项** ：所有填充 `AugMat` 前 N 列（质量矩阵 `[C]` ）的代码都可以被移除。所有与 `LinAcc...t` (科里奥利/离心加速度) 相关的计算也可以移除。
2. **忽略所有阻尼项** ：所有与 `x%QDT` (广义速度) 相乘的项（如 `p%CTFA * x%QDT` ）都可以被移除。
3. **分离刚度项和外力项** ：
* **刚度矩阵 `[K]`** : 来自于弹性力。在代码中，形如 `- p%KTFA(1,1)*x%QT(DOF_TFA1)` 的项，其系数 `p%KTFA(1,1)` 就是刚度矩阵的一个元素。
* **外力向量 `F_ext`** : 来自于重力、气动力等。在代码中，这些力被计算并累加到 `AugMat` 的最后一列。我们需要把这些项收集起来，形成 `F_ext` 。
### 3. 伪代码实现 (`SolveStaticTower`)
下面是一个基于 `FillAugmat` 逻辑整理出的伪代码，用于求解塔筒的静态位移 `q` 。
```fortran
SUBROUTINE SolveStaticTower( p, u, q_solution )
! p: Parameters, u: Inputs (aero forces), q_solution: Output static displacements
! 1. 初始化
INTEGER, PARAMETER :: N_DOF = ... ! 系统自由度总数
REAL(R8Ki) :: GlobalStiffnessMatrix(N_DOF, N_DOF)
REAL(R8Ki) :: ExternalForceVector(N_DOF)
REAL(R8Ki) :: q_solution(N_DOF)
GlobalStiffnessMatrix = 0.0
ExternalForceVector = 0.0
! ==========================================================================
! 2. 填充外力向量 F_ext (来自重力和气动力)
! 这部分逻辑从 FillAugmat 中提取，但只保留与外力相关的计算
! ==========================================================================
! a. 塔顶偏航轴承的重力贡献
! (原FillAugmat中计算TmpVec1的部分)
TmpVec_Grav_YawBr = -p%YawBrMass * p%Gravity * CoordSys%z2
DO I = 1, p%DOFs%NPTTE
ExternalForceVector(p%DOFs%PTTE(I)) = ExternalForceVector(p%DOFs%PTTE(I)) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat%PLinVelEO(p%DOFs%PTTE(I),0,:), TmpVec_Grav_YawBr )
ENDDO
! b. 塔筒分布式质量的重力贡献 (通过积分/求和)
DO J = 1, p%TwrNodes
! 假设有稳态气动力 FSAero_static
TmpVec_Forces_Elmnt = ( FSAero_static(:,J) )*abs(p%DHNodes(J)) & ! 稳态气动力
- p%TElmntMass(J) * p%Gravity * CoordSys%z2 ! 重力
! 假设有稳态气动力矩 MMAero_static
TmpVec_Moments_Elmnt = ( MMAero_static(:,J) )*abs(p%DHNodes(J))
DO I = 1, p%DOFs%NPTTE
ExternalForceVector(p%DOFs%PTTE(I)) = ExternalForceVector(p%DOFs%PTTE(I)) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat%PLinVelET(J,p%DOFs%PTTE(I),0,:), TmpVec_Forces_Elmnt ) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat%PAngVelEF(J,p%DOFs%PTTE(I),0,:), TmpVec_Moments_Elmnt )
ENDDO
ENDDO
! c. 来自机舱和叶轮的重力和稳态气动载荷 (原FillAugmat中与partial loads相关的部分)
! 这部分会更复杂，
! ... (此处省略，但逻辑是相似的：力 * 偏速度) ...
! ==========================================================================
! 3. 填充刚度矩阵 [K]
! 这部分逻辑从 FillAugmat 中提取，但只保留与弹性力相关的系数
! ==========================================================================
! a. 塔筒自身的刚度
! 原代码是 AugMat(DOF, NAug) = AugMat(...) - K*q
! 我们现在把 K 填入 GlobalStiffnessMatrix
IF ( p%DOF_Flag(DOF_TFA1) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA1, DOF_TFA1) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA1, DOF_TFA1) + p%KTFA(1,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA1, DOF_TFA2) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA1, DOF_TFA2) + p%KTFA(1,2)
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag(DOF_TSS1) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS1, DOF_TSS1) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS1, DOF_TSS1) + p%KTSS(1,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS1, DOF_TSS2) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS1, DOF_TSS2) + p%KTSS(1,2)
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag(DOF_TFA2) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA2, DOF_TFA1) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA2, DOF_TFA1) + p%KTFA(2,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA2, DOF_TFA2) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA2, DOF_TFA2) + p%KTFA(2,2)
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag(DOF_TSS2) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS2, DOF_TSS1) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS2, DOF_TSS1) + p%KTSS(2,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS2, DOF_TSS2) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS2, DOF_TSS2) + p%KTSS(2,2)
ENDIF
! 注意：实际的刚度矩阵可能还包含重力引起的几何刚度效应，这里为了简化暂未列出。
! ==========================================================================
! 4. 求解线性方程组 [K]q = F_ext
! ==========================================================================
! 调用一个线性代数库 (如 LAPACK) 的求解器来求解 q
! 例如，使用 DGESV 求解 A*X = B, 这里 A=GlobalStiffnessMatrix, B=ExternalForceVector, X=q_solution
CALL LAPACK_DGESV( N_DOF, 1, GlobalStiffnessMatrix, N_DOF, ipiv, ExternalForceVector, N_DOF, info )
! 求解后，
q_solution = ExternalForceVector
END SUBROUTINE SolveStaticTower
```
### 总结与关键点
1. **核心转变** ：从构建 `[ [C] | {-f} ]` 并求解 $\ddot{q}$，转变为构建 `[K]` 和 `F_ext` 并求解 `q` 。
2. **代码复用** ： `FillAugmat` 中的大部分计算逻辑（如偏速度、点积）是可以复用的，但需要重新组织。
3. **外力向量 `F_ext`** ：主要来源于**重力**和**稳态气动力**。在原代码中，它们是 `{-f}` 的一部分。在整理时，需要注意符号，因为 $F_{ext} = -f_{ext}$。
4. **刚度矩阵 `[K]`** ：主要来源于**结构弹性**。在原代码中，它们是 `{-f}` 中与 `x%QT` 相乘的系数。
5. **求解** ：最后一步是调用标准的线性方程组求解器，这是与原动态时域积分完全不同的数学步骤。
通过这样的整理，就可以将一个复杂的动态仿真代码简化为一个静态结构分析程序，用于计算风力机在特定工况下的静态变形。
[Timestamp: 2025/11/03 14:29:25]
**user**: [[FillAugmat]]中\left[ \sum_{i=4}^{10} \frac{d}{dt} \left( {}^E \mathbf{v}_i^O \right) \dot{q}_i \right] 在哪里体现
[Timestamp: 2025/11/03 14:44:54]
**ai**: Excellent question. This gets to the heart of how the theoretical dynamics equations are translated into a computational algorithm.
The term you've highlighted, $\left[ \sum_{i=4}^{10} \frac{d}{dt} \left( {}^E \mathbf{v}_i^O \right) \dot{q}_i \right]$, represents the part of the absolute acceleration of the tower top (point O) that is **not** proportional to the generalized accelerations ($\ddot{q}$). This term physically corresponds to the **Coriolis and centrifugal accelerations** of point O.
In the `FillAugmat` code, this complex mathematical term is not calculated directly within the subroutine itself. Instead, it is pre-calculated in a preceding kinematics routine (part of the `RtHndSid` module) and passed into `FillAugmat` through the `RtHSdat` data structure.
The specific variable that embodies this term is:
**`RtHSdat%LinAccEOt` **
Let's break down how this is implemented in the code.
### 1. Theoretical Context ([[Tower]], Eq. 4)
The contribution of the yaw bearing mass (`YawBrMass` ) to the force vector `{-f}` is given by:
$$ \{-f...\} = ... - YawBrMass \cdot {}^E \mathbf{v}_{Row}^O \cdot \left[ \sum_{i=4}^{10} \frac{d}{dt} \left( {}^E \mathbf{v}_i^O \right) \dot{q}_i \right] $$
This formula states that we need to compute the Coriolis/centrifugal acceleration of point O, multiply it by the negative of the yaw bearing mass to get an inertial force, and then project that force onto the partial velocity vector ${}^E \mathbf{v}_{Row}^O$ to get its contribution to the generalized force.
### 2. Code Implementation ([[FillAugmat]])
The code implements this in two steps:
**Step 1: Calculate the total inertial force associated with the yaw bearing.**
This happens in the following line:
```fortran
TmpVec1 = -p%YawBrMass*( p%Gravity*CoordSys%z2 + RtHSdat%LinAccEOt ) ! The portion of FrcT0Trbt associated with the YawBrMass
```
Here:
* `p%YawBrMass` is the `YawBrMass` from the theory.
* `p%Gravity*CoordSys%z2` is the gravitational acceleration vector $\mathbf{g}$.
* ** `RtHSdat%LinAccEOt` ** is the crucial variable. Its name can be decoded as:
* `LinAcc` : **Lin**ear **Acc**eleration
* `E` : In the **E**arth (inertial) frame
* `O` : Of point **O** (the yaw bearing/tower top)
* `t` : The part of the acceleration that is **t**ime-dependent but **independent of $\ddot{q}$** . This is precisely the Coriolis and centrifugal acceleration term.
So, `TmpVec1` calculates the total force ($-m\mathbf{a} - m\mathbf{g}$) acting on the yaw bearing, where $\mathbf{a}$ is the Coriolis/centrifugal part of the acceleration.
**Step 2: Project this force to get the generalized force.**
This is done in the subsequent loop:
```fortran
DO I = 1,p%DOFs%NPTTE ! Loop through all active (enabled) tower DOFs...
AugMat(p%DOFs%PTTE(I), p%NAug) = DOT_PRODUCT( RtHSdat%PLinVelEO(p%DOFs%PTTE(I),0,:), & ! {-f(qd,q,t)}T + {-f(qd,q,t)}GravT of YawBrMass
TmpVec1 )
ENDDO
```
Here:
* `AugMat(..., p%NAug)` is the force vector `{-f}` .
* `RtHSdat%PLinVelEO(...)` is the partial velocity of point O, which corresponds to ${}^E \mathbf{v}_{Row}^O$ in the theory.
* `DOT_PRODUCT(..., TmpVec1)` performs the vector dot product.
When you expand the `DOT_PRODUCT` operation, you get:
`DOT_PRODUCT(v_r^O, -YawBrMass*(g + LinAccEOt))`
$= -YawBrMass \cdot \text{DOT_PRODUCT}(v_r^O, g) - YawBrMass \cdot \text{DOT_PRODUCT}(v_r^O, \text{LinAccEOt})$
This perfectly matches the theoretical contributions to the force vector from:
1. The generalized gravity force (from [[Tower]], Eq. 21).
2. The generalized Coriolis/centrifugal force (from [[Tower]], Eq. 4).
### Summary
The term $\left[ \sum_{i=4}^{10} \frac{d}{dt} \left( {}^E \mathbf{v}_i^O \right) \dot{q}_i \right]$ is **represented by the variable `RtHSdat%LinAccEOt`** in the `FillAugmat` subroutine. The code uses a modular approach where complex kinematic quantities like this are calculated beforehand and then used within `FillAugmat` to construct the final terms of the system's equations of motion.
[Timestamp: 2025/11/03 14:45:22]
**user**: [[FillAugmat]]基于fillaugmat函数简化出一个fill_steady_augmat函数， ， ，
[Timestamp: 2025/11/03 15:17:00]
**ai**: 好的，我们来基于 `FillAugMat` 函数，简化出一个 `fill_steady_augmat` 函数， （ ， ） `[K]` 和外部载荷向量 `F_ext` ，以便后续使用 LU 分解求解广义位移 `q` 。
### 1. 简化原则
1. **稳态条件** : 广义加速度 $\ddot{\mathbf{q}} = 0$ 和广义速度 $\dot{\mathbf{q}} = 0$。
2. **方程形式** : 最终目标是构建并返回 `[K]` 和 `F_ext` ，以求解线性方程组 `[K]q = F_ext` 。
3. **变量名一致** : 尽可能保持原始 `FillAugMat` 中的变量名。
4. **忽略动态项** :
* 所有与质量矩阵 `[C]` 相关的计算（即 `AugMat` 的前 N 列）将被移除，因为在静态分析中，惯性力为零。
* 所有与广义加速度 `RtHSdat%LinAccESt` , `RtHSdat%LinAccEOt` , `RtHSdat%AngAccEGt` 相关的项将被视为零。
* 所有与广义速度 `x%QDT` 相关的项（阻尼力、科里奥利力、离心力）将被移除，因为在静态分析中，速度为零。
5. **分离刚度项和外力项** :
* 原始 `FillAugMat` 中，弹性力项形如 `-K*q` ，并被加到 `AugMat` 的最后一列 (`p%NAug` )。在新函数中，`K` 的系数将被提取出来填充 `GlobalStiffnessMatrix` 。
* 原始 `FillAugMat` 中，重力、气动力、水动力、刹车力等外部载荷被加到 `AugMat` 的最后一列 (`p%NAug` )。在新函数中，这些项将被累加到 `ExternalForceVector` 。
### 2. `fill_steady_augmat` 子程序伪代码
```fortran
SUBROUTINE fill_steady_augmat( p, x_static, CoordSys, u_static, HSSBrTrq_static, RtHSdat_static, &
GlobalStiffnessMatrix, ExternalForceVector )
!..................................................................................................................................
! This subroutine constructs the global stiffness matrix [K] and the external force vector F_ext
! for a steady-state (static) analysis, where accelerations and velocities are assumed to be zero.
! The output can then be used to solve [K]q = F_ext for static displacements q.
!..................................................................................................................................
! Passed variables
TYPE(ED_ParameterType), INTENT(IN ) :: p !< Parameters
TYPE(ED_ContinuousStateType), INTENT(IN ) :: x_static !< Continuous states ( only x_static % QT for displacements is relevant )
TYPE(ED_CoordSys), INTENT(IN ) :: CoordSys !< The coordinate systems
TYPE(ED_InputType), INTENT(IN ) :: u_static !< The static aero blade forces / moments
TYPE(ED_RtHndSide), INTENT(IN ) :: RtHSdat_static ! Data from RtHndSid module (assumed to contain static forces/moments and zero accelerations)
REAL(ReKi), INTENT(IN ) :: HSSBrTrq_static ! Static HSS brake torque
REAL(R8Ki), INTENT(OUT) :: GlobalStiffnessMatrix(:,:) !< The global stiffness matrix [ K ]
REAL(R8Ki), INTENT(OUT) :: ExternalForceVector(:) !< The external force vector F_ext
! Local variables (keeping original names for consistency, but some will be effectively zero)
REAL(ReKi) :: TmpVec (3) ! A temporary vector used in various computations.
REAL(ReKi) :: TmpVec1 (3) ! A temporary vector used in various computations.
REAL(ReKi) :: TmpVec3 (3) ! A temporary vector used in various computations.
REAL(ReKi) :: GBoxTrq ! Gearbox torque on the LSS side in N-m (calculated from inputs and parameters).
REAL(ReKi) :: GBoxEffFac2 ! A second gearbox efficiency factor = ( 1 / GBoxEff^SgnPrvLSTQ - 1 )
INTEGER(IntKi) :: I ! Loops through some or all of the DOFs
INTEGER(IntKi) :: J ! Counter for elements
INTEGER(IntKi) :: K ! Counter for blades
INTEGER(IntKi) :: L ! Generic index
! Initialize the output matrices:
GlobalStiffnessMatrix = 0.0
ExternalForceVector = 0.0
! Calculate static gearbox torque (HSSBrTrq_static is assumed to be a static value)
GBoxTrq = ( u_static%GenTrq + HSSBrTrq_static ) * ABS(p%GBRatio)
! NOTE: For this static function, we assume that all acceleration-related fields
! in RtHSdat_static (e.g., LinAccESt, LinAccEOt, AngAccEGt) are already zero.
! Also, force/moment fields (e.g., FSAero, MMAero, FTHydrot, MFHydrot, FrcZAllt, MomXAllt, FrcONcRtt, MomBNcRtt, MomNGnRtt)
! are assumed to represent only their static (non-inertial, non-damping) components.
! Loop through all blades
DO K = 1,p%NumBl
! Blade tip forces (only static aero and gravity contributions)
! Original: TmpVec1 = RtHSdat%FSTipDrag(:,K) - p%TipMass(K)*( p%Gravity*CoordSys%z2 + RtHSdat%LinAccESt(:,K,p%TipNode) )
TmpVec1 = RtHSdat_static%FSTipDrag(:,K) - p%TipMass(K)*( p%Gravity*CoordSys%z2 ) ! LinAccESt is 0
DO I = 1,p%DOFs%NPSBE(K)
ExternalForceVector(p%DOFs%PSBE(K,I)) = ExternalForceVector(p%DOFs%PSBE(K,I)) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelES(K,p%TipNode,p%DOFs%PSBE(K,I),0,:), TmpVec1 )
ENDDO
! Loop through blade nodes / elements
DO J = 1,p%BldNodes
! Blade element forces (static aero, gravity, hydro)
! Original: TmpVec1 = RtHSdat%FSAero(:,K,J)*p%DRNodes(J) - p%BElmntMass(J,K)*( p%Gravity*CoordSys%z2 + RtHSdat%LinAccESt(:,K,J) )
TmpVec1 = ( RtHSdat_static%FSAero(:,K,J)*p%DRNodes(J) ) - p%BElmntMass(J,K)*( p%Gravity*CoordSys%z2 ) ! LinAccESt is 0
TmpVec3 = ( RtHSdat_static%MMAero(:,K,J)*p%DRNodes(J) )
DO I = 1,p%DOFs%NPSBE(K)
ExternalForceVector(p%DOFs%PSBE(K,I)) = ExternalForceVector(p%DOFs%PSBE(K,I)) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelES(K,J,p%DOFs%PSBE(K,I),0,:), TmpVec1 ) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEM(K,J,p%DOFs%PSBE(K,I),0,:), TmpVec3 )
ENDDO
ENDDO ! J - Blade nodes / elements
! Blade elasticity forces (damping forces are zero in static analysis)
IF ( p%DOF_Flag(DOF_BF(K,1)) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_BF(K,1),DOF_BF(K,1)) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_BF(K,1),DOF_BF(K,1)) + p%KBF(K,1,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_BF(K,1),DOF_BF(K,2)) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_BF(K,1),DOF_BF(K,2)) + p%KBF(K,1,2)
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag(DOF_BF(K,2)) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_BF(K,2),DOF_BF(K,1)) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_BF(K,2),DOF_BF(K,1)) + p%KBF(K,2,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_BF(K,2),DOF_BF(K,2)) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_BF(K,2),DOF_BF(K,2)) + p%KBF(K,2,2)
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag(DOF_BE(K,1)) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_BE(K,1),DOF_BE(K,1)) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_BE(K,1),DOF_BE(K,1)) + p%KBE(K,1,1)
ENDIF
END DO ! K - Blades
! Yaw bearing gravity force
! Original: TmpVec1 = -p%YawBrMass*( p%Gravity*CoordSys%z2 + RtHSdat%LinAccEOt )
TmpVec1 = -p%YawBrMass*( p%Gravity*CoordSys%z2 ) ! LinAccEOt is 0
DO I = 1,p%DOFs%NPTTE
ExternalForceVector(p%DOFs%PTTE(I)) = ExternalForceVector(p%DOFs%PTTE(I)) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelEO(p%DOFs%PTTE(I),0,:), TmpVec1 )
ENDDO
! Loop through tower nodes / elements
DO J = 1,p%TwrNodes
! Tower element forces (static hydro, gravity)
! Original: TmpVec1 = ( RtHSdat%FTHydrot(:,J) )*abs(p%DHNodes(J)) - p%TElmntMass(J)*( p%Gravity*CoordSys%z2 + RtHSdat%LinAccETt(:,J) )
TmpVec1 = ( RtHSdat_static%FTHydrot(:,J) )*abs(p%DHNodes(J)) - p%TElmntMass(J)*( p%Gravity*CoordSys%z2 ) ! LinAccETt is 0
TmpVec3 = ( RtHSdat_static%MFHydrot(:,J) )*abs(p%DHNodes(J))
DO I = 1,p%DOFs%NPTTE
ExternalForceVector(p%DOFs%PTTE(I)) = ExternalForceVector(p%DOFs%PTTE(I)) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelET(J,p%DOFs%PTTE(I),0,:), TmpVec1 ) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEF(J,p%DOFs%PTTE(I),0,:), TmpVec3 )
ENDDO
ENDDO ! J - Tower nodes / elements
! Tower elasticity forces (damping forces are zero in static analysis)
IF ( p%DOF_Flag(DOF_TFA1) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA1,DOF_TFA1) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA1,DOF_TFA1) + p%KTFA(1,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA1,DOF_TFA2) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA1,DOF_TFA2) + p%KTFA(1,2)
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag(DOF_TSS1) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS1,DOF_TSS1) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS1,DOF_TSS1) + p%KTSS(1,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS1,DOF_TSS2) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS1,DOF_TSS2) + p%KTSS(1,2)
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag(DOF_TFA2) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA2,DOF_TFA1) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA2,DOF_TFA1) + p%KTFA(2,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA2,DOF_TFA2) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TFA2,DOF_TFA2) + p%KTFA(2,2)
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag(DOF_TSS2) ) THEN
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS2,DOF_TSS1) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS2,DOF_TSS1) + p%KTSS(2,1)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS2,DOF_TSS2) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_TSS2,DOF_TSS2) + p%KTSS(2,2)
ENDIF
! Other DOF forces (only static components)
! Mass matrix contributions from partial loads are removed.
! Coriolis/centrifugal terms are removed.
IF ( p%DOF_Flag (DOF_Sg ) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_Sg ) = ExternalForceVector(DOF_Sg ) + DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelEZ(DOF_Sg ,0,:), RtHSdat_static%FrcZAllt )
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_Sw ) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_Sw ) = ExternalForceVector(DOF_Sw ) + DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelEZ(DOF_Sw ,0,:), RtHSdat_static%FrcZAllt )
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_Hv ) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_Hv ) = ExternalForceVector(DOF_Hv ) + DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelEZ(DOF_Hv ,0,:), RtHSdat_static%FrcZAllt )
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_R ) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_R ) = ExternalForceVector(DOF_R ) + DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEX(DOF_R ,0,:), RtHSdat_static%MomXAllt )
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_P ) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_P ) = ExternalForceVector(DOF_P ) + DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEX(DOF_P ,0,:), RtHSdat_static%MomXAllt )
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_Y ) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_Y ) = ExternalForceVector(DOF_Y ) + DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEX(DOF_Y ,0,:), RtHSdat_static%MomXAllt ) + u_static%YawMom
ENDIF
! Coupling terms for TFA/TSS DOFs (only static force contributions)
IF ( p%DOF_Flag (DOF_TFA1) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_TFA1) = ExternalForceVector(DOF_TFA1) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelEO(DOF_TFA1,0,:), RtHSdat_static%FrcONcRtt ) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEB(DOF_TFA1,0,:), RtHSdat_static%MomBNcRtt )
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_TSS1) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_TSS1) = ExternalForceVector(DOF_TSS1) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelEO(DOF_TSS1,0,:), RtHSdat_static%FrcONcRtt ) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEB(DOF_TSS1,0,:), RtHSdat_static%MomBNcRtt )
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_TFA2) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_TFA2) = ExternalForceVector(DOF_TFA2) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelEO(DOF_TFA2,0,:), RtHSdat_static%FrcONcRtt ) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEB(DOF_TFA2,0,:), RtHSdat_static%MomBNcRtt )
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_TSS2) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_TSS2) = ExternalForceVector(DOF_TSS2) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PLinVelEO(DOF_TSS2,0,:), RtHSdat_static%FrcONcRtt ) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEB(DOF_TSS2,0,:), RtHSdat_static%MomBNcRtt )
ENDIF
! Yaw, RFrl, GeAz, DrTr, TFrl, Teet DOFs (only static force/moment contributions)
! TmpVec related to generator inertia is effectively zero for static.
IF ( p%DOF_Flag (DOF_GeAz) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_GeAz) = ExternalForceVector(DOF_GeAz) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEL(DOF_GeAz,0,:), RtHSdat_static%MomLPRott ) - GBoxTrq
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_DrTr) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_DrTr) = ExternalForceVector(DOF_DrTr) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEL(DOF_DrTr,0,:), RtHSdat_static%MomLPRott ) - p%DTTorSpr*x_static%QT(DOF_DrTr)
GlobalStiffnessMatrix(DOF_DrTr, DOF_DrTr) = GlobalStiffnessMatrix(DOF_DrTr, DOF_DrTr) + p%DTTorSpr
ENDIF
IF ( p%DOF_Flag (DOF_TFrl) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_TFrl) = ExternalForceVector(DOF_TFrl) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEA(DOF_TFrl,0,:), RtHSdat_static%MomNTailt ) + RtHSdat_static%TFrlMom
ENDIF
IF ( ( p%NumBl == 2 ) ) THEN
IF ( p%DOF_Flag(DOF_Teet) ) THEN
ExternalForceVector(DOF_Teet) = ExternalForceVector(DOF_Teet) + &
DOT_PRODUCT( RtHSdat_static%PAngVelEH(DOF_Teet,0,:), RtHSdat_static%MomLPRott ) + RtHSdat_static%TeetMom
ENDIF
ENDIF
! Fill in the upper triangle of the stiffness matrix (it should be symmetric)
DO L = 2,p%DOFs%NActvDOF
DO I = 1,L-1
GlobalStiffnessMatrix(p%DOFs%SrtPS(I),p%DOFs%SrtPS(L)) = GlobalStiffnessMatrix(p%DOFs%SrtPS(L),p%DOFs%SrtPS(I))
ENDDO
ENDDO
! Gearbox friction (non-conservative, contributes to F_ext)
GBoxEffFac2 = ( 1.0/RtHSdat_static%GBoxEffFac - 1.0 )
ExternalForceVector(DOF_GeAz) = ExternalForceVector(DOF_GeAz) - GBoxEffFac2 * GBoxTrq ! AngAccEGt is 0
END SUBROUTINE fill_steady_augmat
```
### 3. 使用 LU 分解求解 `q` (在主程序中调用)
在你的主程序中，调用 `fill_steady_augmat` 后，你需要一个线性代数库（如 LAPACK） `[K]q = F_ext` 。
```fortran
PROGRAM StaticAnalysis
USE ED_Types ! Assuming ED_Types contains definitions for ED_ParameterType, ED_ContinuousStateType, etc.
! USE LAPACK_MODULE ! Assuming you have a LAPACK interface module
IMPLICIT NONE
! Declare variables (matching the subroutine interface)
TYPE(ED_ParameterType) :: p
TYPE(ED_ContinuousStateType) :: x_static
TYPE(ED_CoordSys) :: CoordSys
TYPE(ED_InputType) :: u_static
TYPE(ED_RtHndSide) :: RtHSdat_static
REAL(ReKi) :: HSSBrTrq_static
INTEGER(IntKi) :: N_DOF
REAL(R8Ki), ALLOCATABLE :: GlobalStiffnessMatrix(:,:)
REAL(R8Ki), ALLOCATABLE :: ExternalForceVector(:)
REAL(R8Ki), ALLOCATABLE :: q_solution(:)
INTEGER(IntKi), ALLOCATABLE :: ipiv(:)
INTEGER(IntKi) :: info
! --- 1. 初始化参数和静态状态 ---
! 这一步需要根据你的具体风机模型和稳态工况来填充
! 例如：
! CALL Init_Parameters(p)
! CALL Init_StaticStates(x_static) ! x_static%QT 应该包含初始猜测的位移，
! CALL Init_CoordSys(CoordSys)
! CALL Init_StaticInputs(u_static) ! u_static%GenTrq 等应为稳态值
! HSSBrTrq_static = 0.0_ReKi ! 或其他稳态刹车力
! CALL Init_RtHSdat_Static(RtHSdat_static, p, x_static, CoordSys, u_static)
! ! 这个函数需要你自己实现，确保 RtHSdat_static 中的加速度项为0，
! 获取自由度数量
N_DOF = p%DOFs%NActvDOF ! 假设 p%DOFs%NActvDOF 包含了所有激活的自由度数量
! 分配矩阵和向量
ALLOCATE(GlobalStiffnessMatrix(N_DOF, N_DOF))
ALLOCATE(ExternalForceVector(N_DOF))
ALLOCATE(q_solution(N_DOF))
ALLOCATE(ipiv(N_DOF))
! --- 2. 调用 fill_steady_augmat 构建 [K] 和 F_ext ---
CALL fill_steady_augmat( p, x_static, CoordSys, u_static, HSSBrTrq_static, RtHSdat_static, &
GlobalStiffnessMatrix, ExternalForceVector )
! --- 3. 求解线性方程组 [K]q = F_ext ---
! LAPACK 的 DGESV 子程序会修改 GlobalStiffnessMatrix (存储 LU 分解结果) 和 ExternalForceVector (存储解)
q_solution = ExternalForceVector ! 将 F_ext 复制到 q_solution，
! 调用 LAPACK 的 DGESV 子程序
! N: 矩阵的阶数
! NRHS: 右端向量的数量 (这里是1)
! A: 输入矩阵 [K]，输出为 LU 分解结果
! LDA: 矩阵 A 的第一维大小
! IPIV: 存储行交换信息的向量
! B: 输入向量 F_ext，
! LDB: 矩阵 B 的第一维大小 (这里是 N_DOF)
! INFO: 错误信息 (0表示成功)
CALL DGESV( N_DOF, 1, GlobalStiffnessMatrix, N_DOF, ipiv, q_solution, N_DOF, info )
IF ( info == 0 ) THEN
PRINT *, 'Static displacements (q_solution):'
PRINT *, q_solution
! 可以将 q_solution 更新回 x_static%QT，
! x_static%QT = q_solution
ELSE
PRINT *, 'Error solving linear system: INFO = ', info
END IF
! 释放内存
DEALLOCATE(GlobalStiffnessMatrix)
DEALLOCATE(ExternalForceVector)
DEALLOCATE(q_solution)
DEALLOCATE(ipiv)
END PROGRAM StaticAnalysis
```
**重要提示**:
* ** `Init_RtHSdat_Static` 函数**: 这个函数是关键。在实际的 FAST 仿真中，`RtHSdat` 是由 `RtHndSid` 模块在每个时间步计算的。对于静态分析，你需要确保 `RtHSdat_static` 中的所有**加速度**相关项（如 `LinAccESt` , `LinAccEOt` , `AngAccEGt` ）都被设置为零。同时，所有**力/力矩**相关项（如 `FSAero` , `MMAero` , `FTHydrot` , `MFHydrot` , `FrcZAllt` , `MomXAllt` , `FrcONcRtt` , `MomBNcRtt` , `MomNGnRtt` ）必须准确反映**稳态**的外部载荷（例如，恒定风速下的气动力，或静水中的水动力）。
* ** `x_static%QT` **: 在调用 `DGESV` 之前，`x_static%QT` 应该包含一个初始猜测的位移向量。如果 `[K]` 是非线性的（例如，包含几何刚度效应），你可能需要一个迭代过程（如牛顿-拉普森法）来求解，每次迭代都更新 `x_static%QT` 并重新构建 `[K]` 和 `F_ext` 。这里提供的代码是针对线性 `[K]` 的直接求解。
* **LAPACK 接口** : `DGESV` 是 LAPACK 库中的一个标准双精度通用矩阵求解器。你需要确保你的 Fortran 编译器能够链接到 LAPACK 库，并且 `DGESV` 的接口声明正确。
* **DOF 索引** : `p%DOFs%PSBE` , `p%DOFs%PTTE` , `p%DOFs%SrtPS` 等数组用于将物理自由度映射到矩阵的行/列索引。这些在 `FillAugMat` 中已经定义，并应在 `fill_steady_augmat` 中保持一致。
通过这些步骤，你就可以将原始的动态 `FillAugMat` 函数转化为一个高效的静态分析工具，并利用 LU 分解来求解塔架在稳态条件下的变形。
[Timestamp: 2025/11/03 15:18:00]
**user**: 求解稳态的情况下， ， ？
[Timestamp: 2025/11/03 15:21:04]
**ai**: 在稳态（静态）情况下，`AugMat` 矩阵的形式会发生根本性的变化。
原始的 `AugMat` 实际上是一个增广矩阵，代表了凯恩方程的线性化形式：
`[ [M] | [C_coriolis] ] * [ [ddot_q] ] = [ [-K] | [-D] | [F_ext] ] * [ [q] ]`
或者更常见的形式是：
`[M]ddot_q + [D]dot_q + [K]q = F_ext`
其中 `AugMat` 的结构是 `[ [M_eff] | [F_eff] ]` ，其中 `M_eff` 是有效质量矩阵，`F_eff` 是包含所有非惯性力和速度相关惯性力的有效力向量。
### 稳态情况下的 `AugMat` 形式
在稳态（静态）情况下，我们有以下假设：
* 广义加速度 $\ddot{q} = 0$
* 广义速度 $\dot{q} = 0$
将这些假设代入动力学方程，所有与 $\ddot{q}$ 和 $\dot{q}$ 相关的项都将变为零。因此，方程简化为：
`[K]q = F_ext`
在这种情况下，我们不再需要构建一个包含质量矩阵 `[M]` 的增广矩阵。相反，我们只需要构建一个**刚度矩阵 `[K]` ** 和一个**外部载荷向量 `F_ext` **。
所以，在 `fill_steady_augmat` 函数中，`AugMat` 的概念会转化为两个独立的输出：
1. `GlobalStiffnessMatrix` (对应 `[K]` )
2. `ExternalForceVector` (对应 `F_ext` )
**`GlobalStiffnessMatrix` 的形式：**
这个矩阵**通常不是只有对角线元素**。它是一个**全矩阵**（或至少是一个稀疏矩阵，但包含非对角线元素）。
原因如下：
* **模态耦合** : 塔筒的弯曲振动（例如，前后弯曲 TFA1 和 TFA2， ）
```
F_{r \Big| ElasticT} = \left\{
\begin{array}{ll}
-k_{11}^{'TFA} q_{TFA1} - k_{12}^{'TFA} q_{TFA2} & \text{for } r=TFA1 \\
...
-k_{21}^{'TFA} q_{TFA1} - k_{22}^{'TFA} q_{TFA2} & \text{for } r=TFA2 \\
...
\end{array}
\right.
```
这些非对角线项 $k_{12}$ 和 $k_{21}$ 会直接填充到 `GlobalStiffnessMatrix` 的非对角线位置。
* **结构连接** : 即使是不同的物理部件（如塔筒和机舱），它们的自由度也可能通过连接点产生耦合。例如，塔筒的弯曲会引起塔顶的位移和转动，进而影响机舱和叶片的平衡。这些耦合效应也会导致 `GlobalStiffnessMatrix` 出现非对角线元素。
**`ExternalForceVector` 的形式：**
这是一个列向量，包含了所有作用在系统上的稳态广义力，例如：
* **重力** ：塔筒自身质量和塔顶质量的重力贡献。
* **气动力** ：稳态风载荷作用在塔筒和叶片上的气动力和力矩。
* **水动力** ：如果考虑海上风机，水动力也会有静态分量。
* **其他静态载荷** ：如预应力、刹车力（如果视为静态载荷）等。
### 总结
在稳态情况下，`fill_steady_augmat` 函数将构建一个：
* ** `GlobalStiffnessMatrix` (`[K]` )**: 这是一个**非对角线矩阵**，包含了所有自由度之间的弹性耦合。
* ** `ExternalForceVector` (`F_ext` )**: 这是一个列向量，包含了所有作用在系统上的稳态广义力。
然后，通过求解 `[K]q = F_ext` ，我们可以得到系统的稳态广义位移 `q` 。
因此，你不能假设 `GlobalStiffnessMatrix` 只有对角线元素。它是一个反映系统整体刚度特性的全矩阵。
[Timestamp: 2025/11/03 15:21:14]
