随着风力机向超大型化发展,叶片柔度不断增大使整机的气弹响应问题更为复杂。在各种工况环境下,整机动态响应的精确计算是机组安全运行的根本保障,同时也能够有效减小设计中安全系数的取值使机组具有更好的经济效益。对于海上风力机,还需要考虑波浪和海流作用于支撑结构上的非定常水动载荷影响。为准确计算在复杂工况下,大型风力机整机的动态载荷情况,本文耦合空气动力学、水动力学、结构力学等多学科问题,构建了高效的海上风力机整机动态响应计算模型。采用变分渐进梁截面分析方法精确计算复合材料叶片的截面特性,结合推导的空间欧拉梁模型,建立了能够考虑弯曲与扭转耦合效应的叶片动力学方程。对于风力机整机的动力学模拟,采用笛卡尔坐标描述部件的刚体运动,混合坐标方法描述部件的弹性变形,通过第一类拉格朗日方程推导得到整机刚柔耦合多体系统的动力学方程组。对叶片、塔架等部件考虑其弹性变形影响,而对轮毂、机舱等刚度相对较大的部件则简化为刚体,部件之间通过不同类型的约束互相连接,形成完整的整机动力学系统。本文采用考虑结构变形和振动速度影响的自由涡尾迹方法,实现风力机叶片上非定常气动载荷的精确计算。叶片气动特性采用简化的升力面模型描述,而尾迹则由考虑每个叶素脱落涡的近尾迹区域和只考虑叶尖、叶根涡的远尾迹区域组成。采用直线涡元近似模拟尾迹的曲线涡元,由Biot-Savart定律得到各涡元对空间点的诱导速度,粘性涡核模型消除数值上的奇异。对涡线控制方程的时间步采用预估-校正格式进行离散,得到了风力机非定常状态下的尾迹形状。同时叶片的非定常气动载荷计算中,考虑了对动态失速以及三维旋转效应的修正。对于海上风力机支撑结构的波浪载荷计算,构建了高精度的数值水池模型。数值水池基于求解不可压雷诺平均N-S方程建立,采用VOF模型捕捉多相流间的交界面,UDF模块及弹簧网格技术控制水池中的造波以及消波过程。该方法具有很好的计算精度并能够得到详细的流场信息,但计算量较大。本文也采用Morison工程方法对支撑结构的波浪载荷进行计算,结果与数值水池和试验方法得到的结果进行对比,显示在适当的系数下工程算法具有很好的计算精度并且效率很高。采用P-M谱对随机波浪进行模拟结合Morison方法对波浪载荷进行计算,耦合气动力模型和整机动力学模型,构建了海上风力机整机的动态响应计算方法。在此基础上,以某6MW风力机为模型计算了稳态偏航、湍流风场以及动态偏航等工况下整机的动态响应情况。结果显示本文构建的计算模型,能够更好的反映尾流对于动态载荷的影响情况,对于机组处于动态操作过程中的载荷计算具有更好的精度。在相同工况下,与陆上机组的动态载荷对比显示,由于海上固定式风力机支撑结构的刚度较大,波浪载荷对于整机的动态响应影响较小。同时采用构建的整机动态响应分析方法,计算了叶片由于复合材料铺层方向、几何变形引起的自适应弯扭耦合效应对载荷的影响,塔架高度对于整机成本和年发电量的影响以及塔架和低速轴柔性对整机的动态载荷影响情况。