塔架是风电系统中支承风轮与机舱的关键结构,除承受塔顶装置的机械振动外,还有作用于风轮上的湍流风激励。而我国风能丰富地区主要分布于欧亚大陆地震带和环太平洋地震带上,风力机在役期间极有可能遭遇地震灾害。此外,海上风力机塔架还会受到循环波浪流载荷,更易出现失效乃至倒塌的情况。本文以大型海上单桩式风力机为研究对象,采用模态截断法和多体系统动力学理论建立风力机仿真模型,采用Kaimal湍流风谱模型和JONSWAP波浪谱模型,分别计算了不同水深处和不同强度下塔架地震动力学响应,并采用非线性动力学方法对塔架振动响应时间序列进行分析,同时研究了调谐质量阻尼器(Tuned Mass Damper,TMD)对塔架振动的减振降载效果,得到如下结论:1.根据入水深度的不同,以风力机一阶固有频率0.25 Hz为标准,对原有塔架结构参数进行了修正。同时,计算不同水深处风力机塔架在地面加速度峰值(Peak Ground Accleration,PGA)为0.15 g的地震作用下动力学响应。发现在地震作用下,风力机塔顶加速度、塔架整体位移和弯矩响应均随入水深度的加深而逐渐增大。风-震耦合作用下,40 m水深处风力机横向塔基弯矩响应最为剧烈;而30 m水深处风力机塔架加速度和横向塔基弯矩响应较小;20 m水深处风力机塔架加速度响应较剧烈;20 m和40 m水深处风力机因塔架结构强度较弱的原因,支撑结构剪切力均有较大提升。风-震耦合效应会加剧塔顶加速度和塔基弯矩响应。2.对20 m水深处风力机进行地震动力学数值仿真,研究塔架在不同强度地震作用时动态响应。发现随地震强度的加强,塔顶位移、加速度和塔基弯矩响应均出现增大,但塔顶位移增大幅度较小。对于塔顶加速度,横向响应受地震影响较来流方向上响应更为明显。地震载荷对来流方向上塔基弯矩响应影响比对横向塔基弯矩影响略大。就塔架整体结构而言,在地震强度较小时,风力机塔架位移主要受湍流风载荷控制,随着地震强度的增大,塔架位移的控制载荷转变为地震载荷,且位移与高度之间的关系从非线性转换为线性;在地震载荷作用下,加速度响应峰值出现在塔架高度80 m处,弯矩和剪切力响应峰值出现在塔基处;在不同强度地震作用下,塔架不同高度处塔架剪切力响应峰值差异较大,不同高度处的弯矩响应呈现一定的非线性。根据IEC地震载荷计算公式,提出准确度较高的非线性塔架载荷预估模型。3.为了研究不同工况下风力机的振动信号非线性特征,采用相空间重构法和最大Lyapunov指数分别从定性和定量的角度进行研究。发现在PGA为0.15 g的地震与湍流风联合作用下,不同水深处的风力机塔顶位移响应均具有非线性动力学特征,且特性随入水深度的加深而增强。随地震强度的增强,风力机塔顶位移响应非线性特征先增大再略微减小。对于采用不同土-构耦合模型仿真得到的塔顶位移响应,采用p-y曲线法塔架振动响应非线性特征更为明显。4.为了保证风力机平稳运行,在机舱部位安装调谐质量阻尼器以实现减振控制,通过计算不同水深处装有减振装置的风力机塔架地震动力学响应,并研究调谐质量阻尼器在不同工况下的减振效果。发现对于不同水深处风力机,当PGA为0.3g地震与湍流风耦合作用时,调谐质量阻尼器减振装置对20 m水深的塔顶振动控制效果较好,对30 m和40 m水深处的振动控制效果一般。此外,调谐质量阻尼器对地震单独作用时的塔顶位移和来流方向塔基弯矩控制效果最为明显。