国家发改委在可再生能源十三五规划指出,到2020年和2030年,我国的能源消费结构中的非石化能源消费比重需提高到15%以上,海上风能作为目前可再生能源中技术相对比较成熟,并具有可规模化和商业化发展的一种新型的绿色能源,我国海上风能事业将会迅猛发展。海上风电系统是一个强耦合系统,承受着风载荷、波浪载荷、海流载荷以及海冰荷载等,此外对于我国东海特定海域,波浪已经接近破碎,近海风电场的设计需要考虑破碎波等强非线性波浪载荷。本文针对单桩式海上风机,开展强非线性波作用下单桩式海上风机耦合动力响应分析,揭示强非线性波浪荷载和风机系统的耦合机理,以及风浪联合作用下单桩式海上风机系统的动力响应问题,对固定式海上风机系统的设计和长时间安全稳定的运行都具有重要的研究意义,具有重要的理论研究意义和工程应用价值。本文主要研究内容包括:(1)针对规则波和强非线性(破碎波)等波浪载荷,开展单桩式海上风机数值模拟与模型试验的对比,首先在FASTV8中建立数值模型,通过自由衰减振动测试验证单桩式风机整体结构的动力特性,然后采用Morison公式计算波浪载荷,将模型试验得到的波浪载荷数据导入到全耦合数值模型中,开展单桩式海上风机的数值仿真时域分析,最后数值模型将计算得到的水动力载荷与模型试验进行对比,验证数值模型的准确性。(2)开展单桩式海上风机在风浪联合作用下的动力响应分析,在FASTV8中建立单桩式风机的全耦合数值模型,针对典型载荷工况下开展时域和频域特性分析,对单桩式海上风机关键节点处结构内力的动力响应进行分析。重点研究在正常工作海况和极限生存海况下风机轮毂处推力、叶尖位移、叶根剪力和弯矩、塔基处剪力和弯矩以及泥面处剪力和倾覆力矩受力性能与风浪联合环境载荷之间的关系。(3)开展单桩式海上风机在破碎波作用下的动力特性分析,通过模型试验将破碎点处得到的破碎波波浪载荷数据导入到Openfast中进行全耦合数值分析,考虑波浪拉伸的方式对计算破碎波波浪载荷的影响,重点研究塔筒顶部和泥面处动力响应与破碎波载荷之间的相互影响,并对单桩式海上风机结构安全性能进行评估。