随着世界风能产业的迅速发展,风力机风轮直径、塔高以及发电功率随之急速增大。这一发展趋势使得风力机结构变得越来越柔、所受的风荷载也越来越大,而风力机结构气弹稳定性问题也越发突出。同时这一趋势也使得如今风力机上鲜有发生的气弹失稳问题成为今后大尺寸风力机设计与研究中关键性问题之一。本文围绕兆瓦级大尺寸风力机气弹稳定性问题为背景展开研究,重点对大型风力机的气动阻尼及其识别,颤振失稳问题进行了研究。本文的主要工作包括以下几个方面:(1)简要介绍了当前世界和我国风能产业现状与发展前景。回顾了风力机气弹动力学模型发展以及研究现状,介绍了风力机可能发生的气弹稳定性问题。介绍了当前风力机气动阻尼主要评估方法,同时对风力机叶片颤振研究现状与叶片颤振控制措施的国内外研究成果进行了综述。(2)为研究风力机气弹稳定性问题,首先系统介绍了风力机叶片气动力荷载的经典叶素动量理论,以及普朗特叶尖损失因子修正模型、葛劳渥特修正模型两类经典半经验修正模型。此外就叶片三维效应介绍了Bak的三维旋转修正模型以及Shen三维叶尖损失模型。分别建立了13自由度风力机气弹动力学模型和精细化风力机气弹动力学模型。前者本质上为广义模态模型,用于结构的气动阻尼识别;后者中叶片采用物理坐标模型,并引入了叶尖三维荷载修正的Shen模型,用于风力机叶片的多自由颤振以及抑振措施研究。基于上述气动力荷载,通过数值模拟分析得到了两类模型的频率特征及动力响应,验证了两类模型的可靠性和适用性。通过几何缩尺比1:12的叶片二维断面气动力系数测定试验,分析了丹麦科技大学10MW风力机叶片典型断面气动升力和阻力系数随风攻角变化特征。(3)提出了基于离散小波变换的新型等效线性化方法。介绍了基于连续小波变换的等效线性化方法和传统统计线性化方法基本原理与适用范围。并以单自由度杜芬振子系统为例,通过数值分析深入研究了在不同非线性程度下,系统受平稳随机激励、非平稳随机激励以及确定性激励时采用小波线性化和传统统计线性化的分析结果。研究结果表明,小波线性化方法效果远好于传统统计线性化。离散小波线性化与连续小波线性化具有同等精度,但离散小波计算效率更高,为后续气动阻尼在线识别提供了有效分析手段。(4)提出了基于连续小波变换等效线性化的气动阻尼识别方法和基于离散小波变换等效线性化的气动阻尼识别方法。详细介绍了基于连续及离散小波变换等效线性化的气动阻尼识别方法的基本理论,并编制了气动阻尼识别的程序。以美国国家能源部可再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)5MW风力机为例,结合13自由度风力机模型,通过数值模拟系统检验了该方法的准确性和精度。针对三种不同测量噪声工况,讨论了测量噪声对识别结果的影响。离散小波变换气动阻尼识别方法由于其信号重构效率高频率成分覆盖范围广,比连续小波变化具有更高精度。(5)针对大型风力机柔性叶片提出了被动结构阻尼措施及主动式双变桨方法。详细介绍了被动式电涡流阻尼器构造及实现方式。以DTU 10MW风力机为例,结合精细化风力机模型,通过数值模拟详细研究了被动式电涡流阻尼器传递轴长度和阻尼器阻尼常数两个关键设计参数对颤振控制效果的影响。同时讨论了来流平均风、湍流度、结构阻尼、不同模态阻尼比组合等参数对风力机颤振临界转速的影响。研究发现被动式电涡流阻尼器能显著提高风力机颤振临界转速。同时详细介绍了主动式双变桨叶片构造、控制系统以及叶片尖部荷载传递系统等。以DTU10MW风力机为例,通过数值模拟详细研究了叶片尖部长度以及叶尖转轴位置两个关键设计参数对结构颤振控制效果的影响。研究表明主动式双变桨叶片能显著提升叶片的抗颤振能力。