随着风能利用的不断发展,为了满足海上风电和低风速风场的需求,风电机组呈现大型化趋势。风电机组大型化会导致叶片柔性化,因而在运行中更容易出现大变形现象,进而导致叶片结构的几何非线性变形、流体的非定常特性以及独特的流固耦合现象。但是传统的风电机组动力学分析方法均是基于叶片小变形假设和定常流假设,不能满足叶片大变形的耦合动力学分析要求。因此,建立一个能够满足几何非线性变形假设和非定常流假设的流固耦合模型,对大型风电机组性能设计、载荷分析以及寿命预测都有重要的意义。在航空领域,特别是柔性机翼和直升机旋翼领域,对梁结构的几何非线性变形特性和流场非定常特性研究已得到重视并取得了应用。在风电机组设计中,使用了大量来自航空领域的理论和经验,但是对大型风电机组流固耦合特性研究仍刚刚起步。本文基于几何精确梁方法,建立了风力机叶片的弱形式动力学平衡方程,符合叶片具有的截面各向异性、重心、扭转中心、剪切中心、气动中心不共心、预弯预扭的特点。基于有限元思想,采用Gauss-Lobatto积分和微分求积法离散平衡方程,推导了增量线性平衡方程。通过5个经典算例分析,验证了叶片梁单元在分析大变形、大转动、预弯以及各向异性等问题的正确性。将该梁应用于分析DTU 10MW RWT风电机组模型的叶片和整机模态,准确地获得其固有频率和振型。分析了叶片在静态载荷和动态载荷下采用线性梁和非线性梁的差异,发现线性梁在叶片大变形情况下会明显失效。通过对比还得到了DTU 10MW RWT风电机组叶片发生非线性变形的边界,变形量为叶片长度10%。为了准确模拟叶轮的非定常气动特性,基于非线性升力线方法和自由涡尾迹方法,建立了风电机组的非定常气动模型。在模型中引入了L-B动态失速修正、Du-Selig三维旋转修正以及Shen叶尖损失修正。通过NREL UAE实验和MEXICO实验数据,验证了模型的准确性。将非定常气动模型应用于DTU 10MW RWT风电机组叶片,在轴向入流情况下进行气动性能分析。分析结果表明,对于大型风电机组,定常流模型存在一定误差,必须考虑流场的非定常特性。采用分区弱耦合方法,结合非线性梁模型和非定常气动模型,建立了适用于大型风电机组动力学分析的流固耦合模型,确定了耦合模型参数。该模型被命名为Nonlinear Prediction Unified模型,简称NPU模型。实现了快速多极算法,提高了耦合模型计算效率。将NPU模型用于DTU 10MW RWT风电机组叶轮轴向均匀入流工况、剪切风工况和一般湍流风工况分析,并与NREL的FAST软件分析结果进行对比。发现在风切变或风湍流的作用下,在额定工况,叶片会出现非线性变形;在非均匀流场下,采用NPU模型得到的载荷变化和叶尖响应与FAST有较大的差异。将NPU模型进一步应用于极端风况下的DTU 10MW RWT风电机组叶轮耦合动力学分析。在极端载荷的影响下,NPU模型和FAST的差异凸显。在结构域,各个极端风况下,叶片变形均达到了非线性变形区域,叶尖在叶轮平面外位移波动小于FAST。在流体域,受非定常流场的影响,NPU模型的载荷均值高于FAST,而载荷波动小于FAST。在证明了NPU模型和常用的耦合动力学存在的差异后,将该模型用于大变形、轻量化设计和尺寸改变对叶片耦合特性的影响以及一些实际工况的分析。叶片刚度降低会导致明显的叶片几何非线性大变形现象发生,对叶片的振动和气动功率产生较为明显的影响。在轻量化设计时,质量降低对叶片耦合特性的影响较小,但是刚度降低带来的大变形对气动功率和载荷的影响不能忽略。相对小尺寸叶片,大尺寸叶片的变形响应和气动载荷变化具有相似的变化特征,但大尺寸叶片的根部应力及其波动将增大。分析了偏航误差和偏航过程工况。受剪切风的影响,正偏航状态的载荷波动小于负偏航状态。验证了一种简单但是有效的降低偏航误差和偏航过程载荷波动的方法。利用NPU模型能够完整分析叶轮尾迹的优势,证明了在现有的6倍叶轮直径设计间距下,上游叶轮尾迹对下游风机载荷和功率存在较大负面影响。