风力机是承受复杂随机载荷的动力系统,其动态气动弹性问题涉及随机动态气动力与结构动力响应之间的相互作用,是一个含大气边界层湍流风场、风轮动态空气动力学、叶片及机组结构动力学的多学科交叉问题。本文基于国家自然科学基金项目“考虑叶片柔性变形的风力机气动弹性问题研究”,针对现代大型水平轴风力机自身的结构,结合外部运行特点和国际设计标准,应用现代模态分析理论和有限元数值分析相结合的方法,以1.5MW水平轴风力机为对象,研究了大型风力机在空气动力载荷和机械载荷作用下的结构动力学响应分析方法。本论文采用以叶素动量理论为基础的动态气动分析方法来得到气动载荷,建立结构动力学响应模型分析随机气动载荷作用下的结构动态响应及气动弹性载荷。考虑塔架结构变形对叶片的动态反馈作用,并通过模态综合法,实现风轮和塔架的耦合。最后,利用Palmgren Miner线性累积损伤理论来计算风力机的安全疲劳寿命。论文主要包括以下几个方面的内容:(1)分析风力机基本的空气动力特性。根据修正后的叶素动量理论对作用在风轮叶片上气动载荷进行估算。(2)将叶片和塔架简化为变截面悬臂梁,采用二节点梁单元建立其有限元模型。利用多自由度拉格朗日方程建立运动方程,通过模态分析得到固有频率和振型。考虑风轮旋转频率,避免风力机固有频率和激振频率重叠引起共振。(3)运用模态叠加理论和Newmark法来求解运动方程,获得叶片和塔架在载荷作用时的动态响应,并编制相应的计算程序。(4)研究风轮和塔架的耦合方法,考虑塔架变形对风轮动态气动特性影响。计算低阶主导模态,通过模态综合法建立风轮模态和塔架模态的相互联系。考虑它们之间气动弹性的影响,叠加时序的变化,运用迭代算法求得主模态的响应结果。(5)利用雨流计数法统计风力机随机载荷谱和Palmgren-Miner线性累积损伤法则进行叶片疲劳寿命的估算。