风电正逐渐从陆上走向海上,从浅水区逐渐向深水区发展,为了开发水深大于50m以上海域的风电资源,海上浮式风电技术已成为当今风电技术研究的重要方向和热点之一。通过现场测试和理论研究,已验证了实施海上浮式风电技术的可行性。但目前运行的海上浮式风电机是把原基础固定的风电机直接安装在浮式平台上得到的,这种配置的浮式风电机运行效率低、维护成本高、无法保证设计寿命,故能量均摊成本很高。近10年,虽然对海上浮式风电做了大量的研究工作,力求通过增大单机容量、优化结构、实施减振控制降低能量均摊成本。但由于海上浮式风电技术固有的复杂性,到目前为止,对海上浮式风电机的耦合动力学行为依然知之甚少。导致海上浮式风电机单机容量增大、结构优化、先进减振控制系统的实施缺乏理论基础。因此,正确建立海上浮式风电机整机全耦合动力学计算模型,进行动力学行为研究是现阶段亟需解决的关键问题,具有重大的工程意义和经济意义。论文以海上浮式风电机为对象,建立了整机全耦合动力学模型,研究了其动态激励机理及特性,可为增大单机容量、结构优化、先进减振控制系统的实施提供理论指导,从而降低能量均摊成本,主要研究内容包括:(1)针对现有风电机气动力计算模型在捕获海上浮式风电机非稳态气动效应能力上的不足,基于 GDW(Generalized dynamic wake)法、BEM(blade element momentum)法及B-L(Beddoes-Leishman)动态失速模型,构建了海上浮式风电机气动力组合模型。在中、高风速用GDW法结合B-L模型计算风轮气动力,同时考虑了海上浮式风电机中动态入流和翼型动态失速两种主要气动非稳态效应。在低风速用BEM法结合B-L模型进行气动力计算,弥补了 GDW法在低风速存在数据不稳定的缺陷。为海上浮式风电机气动力计算提供了一种工程参考模型。(2)围绕海上浮式风电机浮式平台结构特点与运行状态,考虑当前常用水动力模型存在的不足,基于线性势流法、莫里森法及线性波运动学理论构建了海上浮式风电机水动力计算模型。在该模型中,除了文献中常用的一阶水动力模型外,建立了空间斜构件莫里森粘性力计算模型、二阶水动力数据计算模型。该水动力模型同时考虑了风电机浮式平台的静水恢复、衍射、辐射效应、浮式平台小尺度结构件的粘性效应、浮式平台一阶线性运动耦合导致的二阶水动力效应,为海上浮式风电机水动力计算提供了一种工程参考模型。以OC4 DeepCwind风电机为对象,试验验证了水动力模型的准确性和可行性,然后通过海上浮式风电机整机全耦合动力学计算,研究了一阶、二阶水动力对浮式平台的激励特性,可为风电机浮式平台的设计提供理论指导。(3)鉴于动态系泊模型比简单常用的准静态系泊模型更符合实际情况,为了更准确模拟浮式平台的动态系泊力,基于集中质量法构建了动态系泊模型。该模型均匀离散缆段,缆段间通过节点连接,质量集中在节点。在节点除了考虑重力、浮力、缆段的轴向拉伸力和轴向阻尼力外,还考虑了缆段在水中的拖曳力、与海底的接触作用力。通过模型计算与试验测试结果的对比,发现所建立的动态系泊模型明显优于静态模型,为海上浮式风电机系泊系统提供了一种工程参考模型。(4)针对缺乏海上浮式风电机整机全耦合动力学集成模型的现状,基于凯恩方法和模态叠加原理,建立了海上浮式风电机刚柔混合多体动力学模型。结合论文建立的风轮气动力组合模型、浮式平台水动力模型、动态系泊模型、变速变桨控制策略,通过模块间变量耦合,构建了海上浮式风电机整机气-结构-伺服-水全耦合动力学模型。以OC4DeepCwind风电机为对象,进行了风、波联合激励响应计算及特性研究,对比美国可再生能源实验室开发的风电机动力学计算软件FAST计算结果,验证了论文整机全耦合动力学模型的准确性。针对2kW小型半潜式浮式风电机及对应陆上风电机进行了试验测试与整机全耦合动力学计算,对比测试结果与计算结果,再次验证了海上浮式风电机整机全耦合动力学模型的准确性。建立的整机全耦合动力学模型为海上浮式风电机动力学行为研究提供了理论支持。(5)研究了海上浮式风电机动态激励机理及特性,提出了基于幅值谱的海上浮式风电机动态特性分析方法。针对OC4DeepCwind风电机,基于论文建立的海上风电机气-结构-伺服-水全耦合模型,通过全耦合计算结果分析和理论推导,分别研究波、动态风、柔性叶片及剪切风的动态激励原理和特性。并深入研究了同时存在多种动态激励源的动态耦合机理及动态激励特性,可为海上浮式风电机的单机容量增大、结构优化及减振控制提供理论基础。