发展清洁高效的海上风电是应对全球气候变暖和能源危机的重要举措。经过过去十余年的快速发展,我国近海的风场规划已基本完成,开发更优质的深远海风资源是未来海上风电的发展趋势。当水深超过50 m时,固定式风机下部结构的建造成本将急剧上升,发展浮式风机是深远海风场开发的必然选择。浮式风机下部结构的开发需经历概念设计、初步设计以及详细设计三个阶段。其中,概念设计阶段的主要任务是结构选型及主尺寸设计,是开展初步设计和详细设计的前提,也很大程度上决定了风机系统的动力响应和经济性。然而,关于如何高效地完成这项如此重要的工作,现有的研究没有给出完备的解决方案。受此驱动,本文基于优化设计的思想,系统地提出了浮式风机下部结构选型及主尺寸设计方法,具体工作如下:针对概念设计的计算需求,提出了浮式风机系统的快速动力响应分析方法。数值模型采用频域的八自由度运动方程描述风机系统的整体运动。其中浮式平台视为可作六自由度运动的刚体;塔筒为弹性体,其变形采用两个广义自由度加以描述;将叶轮及机舱总承视作集中质量。漂浮状态下风机的气动荷载简化为两个部分,分别为平台固定状态下的气动荷载以及由平台运动或塔架变形引起的气动阻尼作用。两者均预先通过时域耦合动力学分析软件FAST获取,并制成气动荷载数据库供数值模拟调用。水动力方面,模型采用势流理论描述浮体在波浪作用下的辐射和绕射效应,并通过线性化的Morison方程考虑作用于浮体的粘性作用力。为了反映系泊刚度的非线性,首先根据静力平衡预先计算出各种风速及风向组合下平台的平均位移,随后迫使平台在平均位置附近作微幅运动,系泊回复力的梯度即为与该平均位置相对应的系泊刚度。为了验证数值模型的有效性,本文模拟了四立柱半潜式风机系统在1000个特征海况下的动力响应,并与FAST的计算结果进行对比,结果表明,数值模型的响应标准差相对误差大多在15%以内,而计算效率有大幅度的提升,满足概念设计的计算需求。提出了一种基于代理模型的长期动力响应分析方法。利用聚类算法（极大相异性算法）从长期海况数据库中选取一定数量的特征海况,并通过数值模型计算风机系统在特征海况下的响应;随后,对数值模型的输入（海况参数）和输出（系统响应）进行回归分析（训练）,建立两者间的近似函数关系,即代理模型;最后,利用代理模型预测所有海况的响应。系统响应的求解从原来复杂的数值模拟过程转变为简单的代数运算过程,能够有效地减少数值模拟的数目,降低计算成本。为了验证该方法的有效性,将代理模型的预测结果与全数值模拟结果进行对比,结果表明,代理模型能够很好地还原出系统真实的响应,满足概念设计的精度需求。基于这种方法,本文探讨了平台安装角对Y形半潜式风机系统长期动力响应的影响。结果显示,不同平台安装角下的塔底累积疲劳损伤具有明显的差异,最大能达到25%,这种差异是由一阶水动力引起的。开展了浮式风机系统的动力响应及经济性指标对下部结构主尺寸设计参数的敏感性分析。本文以四立柱及Y形半潜式下部结构为例,基于方差和概率密度的全局敏感性分析方法评估了浮式平台及系泊系统的主尺寸参数对结构固有特性、长期动力响应以及建造成本变化的贡献度。分析结果显示,立柱半径、立柱间距、吃水深度以及系泊索链直径是决定系统动力学性能及经济性的设计参数。这项工作为主尺寸优化变量及其搜索范围的选取提供了依据。此外,基于敏感性分析结果,探讨了结构固有特性与长期动力响应的相互关系。搭建了半潜式平台及系泊系统的主尺寸优化平台。根据敏感性分析的结果选定了五个主尺寸参数为独立优化变量,利用自开发的数值模型以及长期响应分析方法计算目标函数中的动力响应指标,并校验设计方案能否满足约束条件。借助遗传算法的逻辑关系,实现了设计方案生成、性能评价、约束条件校验以及方案比选的自动寻优过程。基于主尺寸优化平台,本文围绕平台-系泊系统一体化优化、长期海洋环境以及优化算法对优化结果的影响等问题展开了讨论。最后,对比了四立柱和Y形半潜式风机系统的Pareto前沿。结果表明,在相同的造价水平下四立柱平台的塔底累积疲劳始终小于Y形平台的值,主要原因是四立柱平台的波频响应（荡动及摇动）较小,由风机惯性力在塔筒底部引起的弯矩也相对较小。通过以上工作,本文构建了半潜式风机系统的动力学快速评价体系和优化平台,为概念设计阶段下部结构选型及主尺寸设计问题提供了高效的解决方案。