世界范围内传统化石能源供应紧张,环境问题突出,风能等清洁能源的开发和利用受到世界各国越来越多的重视。近几年来,兆瓦级风力发电机得到广泛应用。针对风力发电结构所做的研究也越来越多,风力发电结构设计分析的第一步是要建立合理的风机模型。风力发电机由各构件耦合组成,其内部构造复杂,外部形状特殊。采用不同精细程度的风力发电结构的有限元模型进行风机静动力学分析时,其计算精度、计算效率呈现出一定的差异。有鉴于此,在进行风力发电结构的性能分析时,针对不同的分析目的,选择合适的风力发电结构有限元模型就显得比较有意义。风力发电产业蓬勃发展的背后,各地区风力发电机的破坏事故也时有发生。分析事故背后发生的原因,其中一部分是风力发电结构在运行的过程中,由于风力发电结构整机产生共振,进而引起风机破坏,因此风力发电结构的动力特性值得关注。已有研究发现,叶片旋转产生动力刚化会改变其自身的动力特性,而风力发电结构工作时叶片的转速范围却可达8r/min-20r/min。影响风力发电结构动力特性的另外一个因素则是基础与结构的相互作用,我国幅员辽阔,各风场建设场地差异较大,因此需针对不同场地类别分析土-结构相互作用对风力发电结构动力特性的影响。风机破坏的另一部分原因则是由于风机承受了较大的外部荷载作用。随着近年来恶劣的沙尘暴天气愈演愈重,沙尘暴对风力发电结构造成的破坏时有发生,沙尘暴对建筑物侵蚀严重,其荷载效应明显大于净风荷载作用下的效应。虽然风沙危害对建筑物具有明显风蚀效应,但关于风沙荷载对风力发电结构的动力响应分析及对其所造成的危害则缺乏较深入的研究。以往关于风力发电结构的动力响应分析大多只针对风荷载作用,而不考虑砂粒荷载的作用,风力发电结构对风荷载具有极强的敏感性,随着沙尘暴荷载强度的升高,风沙耦合效应对风力发电结构产生的影响也将逐渐增大。针对以上风力发电产业暴露出的一些问题,确定本文研究的主要内容有以下三个方面。首先,以风电场中常见的2WM三桨叶水平轴风力发电机为原型,利用大型通用有限元软件ANSYS建立7种不同精细程度的风力发电结构有限元模型,根据建立的模型,以地震响应分析为例,得到各模型的响应结果。分别从变形、内力、应力以及细部应力集中四个方面分析各个模型之间的计算结果。结果显示,对于风力发电结构的变形,上部结构对其影响较小且采用低阶梁单元仍能得到较好的模拟结果;对于风力发电结构的截面剪力和截面弯矩,整机有限元模型得到的结果较为精确,单元选择时需采用高阶实体单元;不考虑叶片、轮毂以及机舱得到的塔筒截面应力离散性较大,且采用壳单元可较好的模拟塔筒截面应力;叶片机舱等上部结构对门洞局部产生的应力集中影响较大且采用塔筒壳单元、门洞局部实体单元的多尺度模型能较好的模拟门洞应力集中。其次,进行风力发电结构的动力特性分析。分别考虑叶片旋转刚化及土-结构相互作用对风力发电结构动力特性的影响,研究风力发电结构整机在不同叶片旋转速度、不同场地类别以及综合考虑叶片旋转与不同场地类别下风力发电结构的动力特性变化,研究其频率变化规律。并利用坎贝尔图分析在上述工况下风力发电结构的共振特性。结果显示,叶片转速的增加使风力发电机的自振频率逐渐增大,塔筒与叶片的耦合变形使频率增长加快;考虑土-结构相互作用时,风力发电机频率降低,且场地土越软风力发电机频率越小;当两种工况共同作用时,叶片旋转只对一阶频率产生影响,对高阶频率影响甚微,且风力发电机频率降低;考虑叶片旋转时风力发电机在1P转频内不产生共振点,在3P转频率内一阶频率的共振点为14r/min。此外在不同场地土下风力发电机均会产生共振点,其中三类土的共振频率最远离额定转频。最后,对比分析不同等级风荷载和风沙荷载作用下的风力发电结构动力响应,分析研究了风力发电结构在不考虑风机叶片、考虑风机叶片旋转作用以及考虑土-结构相互作用三种工况下,风力发电结构在不同等级风荷载和风沙荷载作用下的动力响应变化规律。结果显示,对于三种不同精细程度的有限元模型,考虑风沙荷载作用下的风力发电机比考虑单一风荷载作用下的塔顶位移大;采用简化的塔顶集中质量模型进行数值模拟时得到的结果偏于不安全,建议在进行风沙荷载及风荷载响应分析时采用考虑叶片旋转效应的整机有限元模型;土-结构相互作用对风荷载及风沙荷载作用下的位移响应均具有明显的放大效应,软弱地基上更为明显,因此,在该场地上建立风力发电场时更应考虑土-结构相互作用的影响。