本文针对现代大型水平轴风力机的结构和运行特点,应用现代柔性多体动力学理论和有限元数值分析相结合的方法,对大型风力机叶片的动力特性以及在气动和机械载荷作用下的结构动力学响应进行了研究。论文主要包括:基于柔性多体动力学理论的风力机旋转叶片动力学模型的建立和数值求解方法研究;叶片的振动特性分析;叶片在气动和机械载荷作用下的结构动力学响应分析。 首先,简要介绍了现代柔性多体动力学和有限单元法的基本理论,用有限元分析软件ANSYS对风力机叶片建模,并求解了1.5MW变速恒频风力机叶片的固有频率与振型。探讨了旋转叶片动力刚化效应产生的原因,并分析其对叶片固有频率的影响。 接着,对旋转叶片进行有限元离散,采用凯恩(kane)方法,建立了一般形式的大型风力机叶片柔性多体动力学有限元方程:结合大型叶片几何构形特点,导出了基于Timoshenko模型的旋转叶片的三维空间梁单元动力矩阵的显式表达式。分别用常规方法与柔性多体动力学方法求解了1.5MW风力机叶片的固有频率与振型。并将结果与之前在ANSYS中计算的结果进行比较验证。 最后,对所建立的叶片动力学模型进行动力学响应分析。针对该类动力方程为时变动力学方程的特点,研究其数值求解方法。分别对三种数值方法(newmark-β法、wilson-θ法、newmark增量迭代法)的稳定性和算法效率进行了分析,编制了相应的计算机程序;对1.5MW风力机在启动、刹车和正常运转时的叶片弯曲挠度响应进行了分析并与常规有限元数值分析结果进行了比较。结果表明,现代柔性多体动力学方法能更准确地反映旋转叶片的动力学特性和动力学响应。