由于能源需求的增加以及传统能源对环境的影响，海上风力涡轮机（OWT）作为一种清洁能源选项得到了快速发展[[1], [2], [3]]。为了捕获更多的风能，OWT朝着大规模发展，其特征是塔架更高、叶片更大、额定容量更高[4]。台风频繁发生在中国的沿海地区，由于极端风速与复杂系统动态之间的相互作用，对OWT的结构安全构成了重大威胁。如图1所示，研究表明[[5], [6], [7]]，台风会干扰电网运行并损坏控制系统。Hallowell等人[5]发现，偏航控制系统的功能对OWT的故障风险有显著影响，当系统失灵时，故障概率显著增加。偏航系统故障可能导致转子与来风方向错位，放大不对称载荷并增加结构故障的风险。因此，研究OWT在偏航系统故障引起的偏航错位下的结构响应对于确保其运行安全和结构可靠性至关重要。
一些研究已经探讨了OWT在偏航错位下的动态响应。例如，Ke等人[8]使用大涡模拟（LES）和有限元方法分析了5MW风力涡轮机在不同偏航角度下的空气动力性能、风诱导响应和稳定性。Kim等人[9]利用国家可再生能源实验室（NREL）开发的FAST模拟平台，对飓风Ike期间的5MW单桩支撑OWT进行了空气-水-弹性分析，系统研究了偏航错位、叶片俯仰角和停机策略对OWT动态响应的影响。Yang等人[10]使用FAST平台分析了不同偏航角度和叶片位置下的5MW导管支撑OWT。Yin等人[11]使用FAST平台分析了13.2MW OWT的空气-水-弹性响应，重点研究了叶片俯仰、转子偏航和风浪错位的影响。这些研究为FAST在模拟OWT在极端条件（如偏航系统故障引起的偏航错位）下的行为提供了重要支持。大多数现有研究依赖于数值模拟来估计偏航和叶片俯仰角对OWT结构响应的影响，而实验研究相对有限。正如Chen等人[12]所强调的，模型测试在揭示空气-弹性耦合效应、验证数值结果和提高OWT设计可靠性方面发挥着不可替代的作用。因此，开发实验方法来研究OWT在偏航错位下的复杂空气-伺服-弹性耦合动态响应不仅至关重要，而且具有重要的实际价值。
传统的模型测试受到多种因素的限制，包括尺度律的冲突、叶片制造的挑战、伺服控制系统设计的复杂性、风洞测试的高成本和有限的准确性[[12], [13], [14], [15], [16]]。这些限制阻碍了对OWT耦合响应的全面理解。受到地震工程进展的启发[[17]]，实时混合模型测试（RTHM）提供了一个有前景的替代方案。这种方法将系统分为物理子结构和数值子结构。数值子结构包括可以通过数值精确模拟或难以在物理上复制的动态组件，通常包括空气动力模块和伺服控制模块，它们共同实时计算全尺寸的空气动力载荷。相比之下，物理子结构以物理形式构建，通常代表主要研究兴趣的系统部分，例如OWT的缩比模型。数值子结构和物理子结构之间的交互通过闭环控制系统实现。数值子结构计算的空气动力载荷通过执行器传递给物理子结构，而物理子结构的测量响应不断反馈到数值域中，以实时更新空气动力载荷。
RTHM已经得到了广泛研究，其中执行器设计存在关键变化。Hall等人[18]率先使用1:50比例模型和电缆驱动的平行机构（CDPM）实现了空气动力推力的复制。后续工作[19]通过误差分析优化了系统性能，并证明了转子接口耦合比塔基耦合具有更好的动态响应。在Hall的电缆驱动概念基础上，Bachynski等人[[20], [21], [22], [23]]开发了一种先进的六缆系统，能够实现多自由度（DOF）载荷，成功将该技术应用于5MW和10MW的浮动风力涡轮机原型。Azcona等人[24]在MARIN使用塔顶导流风扇在1:50比例模型上复制了FAST推导出的空气动力载荷。Albert的团队开发了一种多风扇系统用于空气动力载荷复制[[25], [26], [27]]。这种可实时控制的风扇阵列同时产生推力和陀螺力矩。尽管控制复杂性增加，但测试确认了复制精度的提高[28]。Ha等人[29]为10MW浮动OWT开发了一种具有不对称推力的RTHM，并通过数值模拟进行了验证。Wen等人[30]基于无人机螺旋桨开发了一种多驱动空气动力载荷模拟器（MALS），并将其应用于OWT的RTHM和振动控制研究。Fu等人[31,32]使用单自由度执行器在1:80比例的单桩OWT上进行了RTHM。后来，他们开发了一种基于多自由度风扇的加载设备[33]，并通过软件在环和硬件在环验证了其空气动力载荷模拟性能。
上述学者在OWT的RTHM技术的发展和应用方面做出了重要贡献。目前，用于OWT RTHM的空气动力载荷执行器尚未标准化[33]。这些设备大致可以分为两类：第一类仅模拟单向推力的设备，如CDPM[18]、单自由度执行器[31]和导流风扇设备[24]，它们不适合用于偏航系统故障下的OWT研究。第二类能够多方向复制空气动力载荷的设备，如Multi-CDPM[21]，它使用电缆拉动框架。虽然Multi-CDPM可以提供多方向载荷，但它需要复杂的控制系统，并依赖于多个绞车设备，不适合小型实验室空间。另一种基于多转子风扇系统的方法可以多方向生成空气动力载荷，但每个风扇提供的推力有限[33]，并且容易产生高频振动和噪声[34]，导致在大规模模型测试中空气动力载荷输出不足。
总之，现有的RTHM系统由于空气动力载荷执行器的不足，无法准确模拟不对称的双向推力，这限制了它们在偏航错位场景中的应用。本研究的目的是开发一种基于振动台的新型双向推力加载执行器，为实验室条件下OWT在偏航错位下的空气-伺服-弹性耦合响应提供实验方法。本文的结构如下：第2节介绍了本研究中设计的RTHM方法；第3节讨论了数值子结构的开发和验证；第4节描述了物理子结构的制造；第5节涵盖了空气动力载荷执行器的开发和力控制测试；第6节展示了RTHM的结果和分析；第7节以总结和未来研究方向结束。
