随着对煤、石油和天然气等传统能源的高度开发与利用,能源问题将成为制约中国经济持续发展的严重瓶颈。风能作为最具前景的替代能源之一,其开发和利用越来越受到世界各国的重视。较之陆上风能,海上风能具有更加明显的优势。“由陆向海、由浅向深、由固定基础向浮式平台”业已成为未来风电场建设的必然趋势。平台的稳定是漂浮式风力机安全运行的基本保障,因此,研究漂浮式风力机平台动态响应特性具有重要的意义。本文以四种常见的漂浮式风力机平台为研究对象,以空气动力学、水动力学为理论基础,对外界环境载荷激励下漂浮式风力机平台的动态响应开展了研究。为提高漂浮式风力机平台的稳定性,提出了有效的改善措施,将对未来漂浮式风力机的发展提供理论和技术支持。论文工作如下:1.基于叶素动量理论考虑叶尖损失、轮毂损失以及动态失速,建立了漂浮式风力机非定常气动载荷求解模型,通过Fortran语言编程实现了AQWA二次开发,建立了漂浮式风力机气动-水动-系泊耦合动力学模型并实现了模型的算法求解。2.基于辐射/绕射理论,研究了四种基本类型漂浮式风力机平台(TLP、Spar、半潜式平台和Barge)的频域水动力性能,获得了附加质量、辐射阻尼、一阶波浪激振力以及幅值响应算子(RAO)的幅频特性曲线,并研究了波浪入射角度、水深对四种漂浮式风力机平台频域一阶波浪激振力、频域RAO的影响。3.通过自由衰减数值试验获得了四种漂浮式风力机平台纵荡、垂荡以及纵摇自由衰减曲线,通过快速傅里叶变换获得了四种漂浮式风力机平台纵荡、垂荡以及纵摇固有频率;对比研究了三种环境条件下(波浪单独作用、风波联合作用(未耦合)、风波联合作用(耦合))四种漂浮式风力机平台运动(纵荡、垂荡以及纵摇)、系泊张力以及机舱加速度动态响应特性,验证了风载荷、风波耦合作用的重要性;研究了波浪单独作用、风波耦合作用两种环境条件下四种漂浮式风力机平台的纵荡、垂荡以及纵摇时域动态响应特性,获得了风载荷对四种漂浮式风力机平台纵荡、垂荡以及纵摇时频域响应的主要影响特征;研究了风波耦合作用、风波未耦合作用两种环境条件下四种漂浮式风力机风轮推力时频域动态响应,获得了平台运动对四种漂浮式风力机风轮推力时频域响应的主要影响特征;考虑风波耦合作用,研究了悬链线系泊系统(导缆孔位置、悬链线长度及直径)对三种漂浮式风力机平台运动、系泊张力及机舱加速度最大值的影响规律。4.针对Spar平台存在的垂荡响应过大问题,为提高漂浮式风力机Spar平台垂荡稳定性,借鉴传统海工平台研究经验,通过对漂浮式风力机Spar平台主体去除材料、增加材料两种方式安装垂荡板,研究了普通海况、恶劣海况两种工况,垂荡板对漂浮式风力机Spar平台动态响应的影响。5.为提高漂浮式风力机平台稳定性,借鉴古代赤壁之战“铁索连舟”增强船舶稳定性的思想,提出了共用系泊系统多平台阵列漂浮式风电场设计方法;建立并研究了普通海况、恶劣海况两种工况下3×3阵列Barge平台漂浮式风电场,3×3、2×2阵列半潜式平台漂浮式及3×3阵列Spar平台漂浮式风电场平台的动态响应特性;针对系泊系统直接与Spar平台主体链接时,平台存在的首摇、横摇响应过大问题:提出了安装首摇阻尼板和“系泊链接点外移”两种提高Spar平台漂浮式风电场平台稳定性的措施,并研究了普通海况、恶劣海况两种工况下首摇阻尼板和“系泊链接点外移”对Spar平台漂浮式风电场平台动态响应特性的影响。6.提出了混合式平台漂浮式风电场的概念设计方法;建立了3×3阵列的基于三浮筒半潜式平台、四浮筒半潜式平台、Spar平台和Barge平台的混合式平台漂浮式风电场,研究了恶劣海况下,系泊系统直接链接平台时,混合式平台漂浮式风电场首摇响应特性;针对系泊系统直接链接平台导致的系泊系统不对称所最终引起的首摇响应过于剧烈的问题,提出了“依照尺度最大的结构正交布置系泊系统”的适用于混合式平台漂浮式风电场系泊系统布置准则。建立了3×3阵列基于Spar平台、Barge平台的混合式平台漂浮式风电场,系泊系统依照所提出布置准则布置系泊系统,研究了普通海况、恶劣海况两种环境条件下3×3阵列基于Barge平台、Spar平台的混合式平台漂浮式风电场平台动态响应特性。