由于能源需求的增加以及傳統能源對環境的影響，海上風力渦輪機（OWT）作為一種清潔能源選項得到了快速發展[[1], [2], [3]]。為了捕獲更多的風能，OWT朝著大規模發展，其特征是塔架更高、葉片更大、額定容量更高[4]。臺風頻繁發生在中國的沿海地區，由于極端風速與復雜系統動態之間的相互作用，對OWT的結構安全構成了重大威脅。如圖1所示，研究表明[[5], [6], [7]]，臺風會干擾電網運行并損壞控制系統。Hallowell等人[5]發現，偏航控制系統的功能對OWT的故障風險有顯著影響，當系統失靈時，故障概率顯著增加。偏航系統故障可能導致轉子與來風方向錯位，放大不對稱載荷并增加結構故障的風險。因此，研究OWT在偏航系統故障引起的偏航錯位下的結構響應對于確保其運行安全和結構可靠性至關重要。
一些研究已經探討了OWT在偏航錯位下的動態響應。例如，Ke等人[8]使用大渦模擬（LES）和有限元方法分析了5MW風力渦輪機在不同偏航角度下的空氣動力性能、風誘導響應和穩定性。Kim等人[9]利用國家可再生能源實驗室（NREL）開發的FAST模擬平臺，對颶風Ike期間的5MW單樁支撐OWT進行了空氣-水-彈性分析，系統研究了偏航錯位、葉片俯仰角和停機策略對OWT動態響應的影響。Yang等人[10]使用FAST平臺分析了不同偏航角度和葉片位置下的5MW導管支撐OWT。Yin等人[11]使用FAST平臺分析了13.2MW OWT的空氣-水-彈性響應，重點研究了葉片俯仰、轉子偏航和風浪錯位的影響。這些研究為FAST在模擬OWT在極端條件（如偏航系統故障引起的偏航錯位）下的行為提供了重要支持。大多數現有研究依賴于數值模擬來估計偏航和葉片俯仰角對OWT結構響應的影響，而實驗研究相對有限。正如Chen等人[12]所強調的，模型測試在揭示空氣-彈性耦合效應、驗證數值結果和提高OWT設計可靠性方面發揮著不可替代的作用。因此，開發實驗方法來研究OWT在偏航錯位下的復雜空氣-伺服-彈性耦合動態響應不僅至關重要，而且具有重要的實際價值。
傳統的模型測試受到多種因素的限制，包括尺度律的沖突、葉片制造的挑戰、伺服控制系統設計的復雜性、風洞測試的高成本和有限的準確性[[12], [13], [14], [15], [16]]。這些限制阻礙了對OWT耦合響應的全面理解。受到地震工程進展的啟發[[17]]，實時混合模型測試（RTHM）提供了一個有前景的替代方案。這種方法將系統分為物理子結構和數值子結構。數值子結構包括可以通過數值精確模擬或難以在物理上復制的動態組件，通常包括空氣動力模塊和伺服控制模塊，它們共同實時計算全尺寸的空氣動力載荷。相比之下，物理子結構以物理形式構建，通常代表主要研究興趣的系統部分，例如OWT的縮比模型。數值子結構和物理子結構之間的交互通過閉環控制系統實現。數值子結構計算的空氣動力載荷通過執行器傳遞給物理子結構，而物理子結構的測量響應不斷反饋到數值域中，以實時更新空氣動力載荷。
RTHM已經得到了廣泛研究，其中執行器設計存在關鍵變化。Hall等人[18]率先使用1:50比例模型和電纜驅動的平行機構（CDPM）實現了空氣動力推力的復制。后續工作[19]通過誤差分析優化了系統性能，并證明了轉子接口耦合比塔基耦合具有更好的動態響應。在Hall的電纜驅動概念基礎上，Bachynski等人[[20], [21], [22], [23]]開發了一種先進的六纜系統，能夠實現多自由度（DOF）載荷，成功將該技術應用于5MW和10MW的浮動風力渦輪機原型。Azcona等人[24]在MARIN使用塔頂導流風扇在1:50比例模型上復制了FAST推導出的空氣動力載荷。Albert的團隊開發了一種多風扇系統用于空氣動力載荷復制[[25], [26], [27]]。這種可實時控制的風扇陣列同時產生推力和陀螺力矩。盡管控制復雜性增加，但測試確認了復制精度的提高[28]。Ha等人[29]為10MW浮動OWT開發了一種具有不對稱推力的RTHM，并通過數值模擬進行了驗證。Wen等人[30]基于無人機螺旋槳開發了一種多驅動空氣動力載荷模擬器（MALS），并將其應用于OWT的RTHM和振動控制研究。Fu等人[31,32]使用單自由度執行器在1:80比例的單樁OWT上進行了RTHM。后來，他們開發了一種基于多自由度風扇的加載設備[33]，并通過軟件在環和硬件在環驗證了其空氣動力載荷模擬性能。
上述學者在OWT的RTHM技術的發展和應用方面做出了重要貢獻。目前，用于OWT RTHM的空氣動力載荷執行器尚未標準化[33]。這些設備大致可以分為兩類：第一類僅模擬單向推力的設備，如CDPM[18]、單自由度執行器[31]和導流風扇設備[24]，它們不適合用于偏航系統故障下的OWT研究。第二類能夠多方向復制空氣動力載荷的設備，如Multi-CDPM[21]，它使用電纜拉動框架。雖然Multi-CDPM可以提供多方向載荷，但它需要復雜的控制系統，并依賴于多個絞車設備，不適合小型實驗室空間。另一種基于多轉子風扇系統的方法可以多方向生成空氣動力載荷，但每個風扇提供的推力有限[33]，并且容易產生高頻振動和噪聲[34]，導致在大規模模型測試中空氣動力載荷輸出不足。
總之，現有的RTHM系統由于空氣動力載荷執行器的不足，無法準確模擬不對稱的雙向推力，這限制了它們在偏航錯位場景中的應用。本研究的目的是開發一種基于振動臺的新型雙向推力加載執行器，為實驗室條件下OWT在偏航錯位下的空氣-伺服-彈性耦合響應提供實驗方法。本文的結構如下：第2節介紹了本研究中設計的RTHM方法；第3節討論了數值子結構的開發和驗證；第4節描述了物理子結構的制造；第5節涵蓋了空氣動力載荷執行器的開發和力控制測試；第6節展示了RTHM的結果和分析；第7節以總結和未來研究方向結束。
