海上风电得益于海面上更强劲、更稳定的风能资源,相对于陆上风电可以产生更多的电能,因此正成为许多国家可持续发展的重要组成部分。但是,海上风电机组安装、运行和维护的环境比陆上更加恶劣、严酷,需要时刻接受潮湿、海浪、狂风以及盐雾的考验,承受风、海浪、浮冰等多场载荷耦合作用,还有我国南方海域夏秋季的台风,北方海域冬季海面的浮冰等极端工况也将给风电机组的安全构成很大威胁,所以对海上风电机组的安全性和可靠性有更高的要求。另一方面,海上风电机组的基础建在海床上,受海浪冲击、浸泡和海床地质结构变化直接影响到风电机组的稳定性,故基础建设要求高,建设成本要远远高于陆上风电,成为制约海上风电大规模发展的瓶颈。　　如何提高海上风电机组的安全性和可靠性,怎样降低基础建设的成本是开发海上风电必须突破的重大科学技术问题。该论文就是从这一需求出发,针对海上风电最具潜力的漂浮式基础和海上风电机组的数字化设计进行了系统深入的研究,重点解决系统动力学建模与仿真、系统控制策略、变型设计、知识共享与积累等关键技术,力图探索满足海上风电机组安全性和可靠性要求的设计理论和方法。　　主要研究内容和成果如下:　　①研究建立半潜漂浮式风电机组的系统动力学模型方法,并通过系统动力学仿真分析进行实验验证。首先对与风力发电机组动力学建模与仿真相关的两类载荷,即气动载荷和波浪载荷进行了研究。对于气动载荷,研究了叶素动量理论。对于波浪载荷,从线性波浪入手,研究了波浪的描述方法和各种常见的波浪理论。最后研究了与波浪相关的两类波浪载荷的计算方法,即用Morison方程计算波浪载荷的方法和以势流理论为基础的波浪载荷计算方法。在此基础上,以NREL(美国可再生能源国家实验室)提供的5MW半潜漂浮式风力发电机组为应用对象,构建了由该风电机组的结构动力学模型,空气动力模型和水动力学模型组成的系统动力学模型。在多种风场和波浪场耦合作用下对该动力学模型进行了仿真实验。实验结果验证了系统模型,证明了建模方法的可行性,提出了湍流风和不规则波的共同作用会造成该漂浮式风电机组较严重的载荷波动,设计制造时要严格控制机组各个部分的频率范围,不仅避开风的固有频率,还要避开海浪、水流的频率,同时加强风电机组的振动控制。　　②针对在湍流风作用下容易激起风力发电机组传动链的扭转振动问题,研究了风电机组的控制策略,并进行了仿真分析。在额定风速以上的控制阶段,提出了对PI转速控制+恒转矩控制的控制策略和PI转速控制+LQR转矩控制的控制策略,并按两种控制策略设计了控制程序,分别进行了控制仿真实验。仿真结果表明:后一种策略在增加传动链的动态阻尼的同时降低了风力发电机组关键零部件的载荷。　　③针对不同的风场特点需要对风电机组进行变型设计或适应性设计的需要,研究了风电机组变型设计。从特征、事物特性表、特征造型和参数设计的关联性出发,提出了参数化零件库的建构方法。在对装配关系和装配特征的深入分析的基础上,提出了以装配关系图和装配约束表相结合的装配关系表达方法,并结合Inventor的Imate技术,实现了零部件的自动装配。在参数化零件库和自动装配技术的支持下实现了参数化部件库的构建,以塔筒设计为例验证了该方法的可行性。研究了装配关系约束和运动学约束之间的关系,提出了面向动力学仿真的自动装配技术,并以某风电机组的增速器为例,验证了该方法的正确性。　　④提高风电机组设计的安全性和可靠性,需要不断积累经验和知识。该论文研究了风电机组的知识重用方法。从知识的本质出发,根据知识的可重用性对知识进行了分类。针对目前知识重用的两个领域,即知识工程和知识管理,分析了它们的优缺点,结合知识的可重用层次,提出了知识循环模型,以及该模型与项目组运行模式相结合形成的基于项目组的知识工作模型。针对风电机组设计与分析的需要,提出面向大型风电机组设计分析的知识共享平台,最后介绍了知识共享平台的支持工具,包括文档共享工具,工程软件,基于软件平台的设计工具等。