随着中国沿海地区及海上风电建设与日俱增,频繁袭击我国东南沿海的台风已成为制约风电发展的关键因素之一。现代风力机设计标准/准则多从无台风影响的欧盟地区发展而得,导致其设计的风力机可能难以适应我国的多台风沿海环境,甚至多起实例表明风力机在远未达极限设计风速的台风下亦可遭受损毁。由此可见,台风引发风力机结构损毁的失效机理仍存在诸多未知因素有待进一步探究。因此,针对传统实例研究普适性低、单方面的流体或结构数值模拟准确性不足等问题,本文采用流固耦合数值模拟方法研究大型水平轴风力机在台风环境下的流场特性和结构响应,以求探究风力机结构失效机理。此外,针对风力机结构失效特点,本文提出利用弯扭耦合叶片的被动自适应特性进行针对性抗台风设计及减载降振性能研究。论文具体研究内容为:1.基于参数化建模思路,通过二次开发建立参数化三维高精度MW级风力机整机模型,并与CFD和FEM程序耦合建立同步重构机制,开发了CAD-CFD网格参数化建模和CAD-FEM复合材料铺层设计参数化建模,在简化复杂建模的同时使风力机数值模型符合真实加工工艺特性,从而保证了台风环境下风力机流固耦合数值模拟的准确性。2.基于CFD与FEM相结合的流固耦合方法,分析大型5.0 MW风力机在极端台风环境下的空气动力学特性和结构响应特性,以探究台风引发风力机破坏的外部环境诱因和内部结构失效机理。首先,通过CFD并结合时/频域分析方法探究台风风向变化和风轮停机相位角对风力机气动载荷的影响,其结果证明特定风轮位置可引发异常的气动载荷,导致风力机处于高危易损状态。其次,针对引发最大载荷的高危易损状态,通过双向FSI准静态分析方法研究风力机结构强度和稳定性,并深入分析复合材料叶片内部层合板层间应力分布状态,其结果表明结构内部性能突变是导致叶片和塔架发生断裂或局部屈曲不稳定的主要原因;针对叶片异常涡激振动的高危易损状态,研究不同台风风切变和湍流台风对叶片流场涡脱落频率及相应气动载荷振荡特性的影响,并结合FEM模态分析及谐响应分析研究流场涡激振动引发的复合材料叶片结构失效的内在因素,结果表明处于下垂位置的叶片在远低于极限风速的台风下亦可能产生与实际案例相似共振破坏。最后,通过双向FSI动态响应方法研究多种高危状态下的风力机叶片进行显式动力学动态响应,分析台风环境下叶片大尺度形变和多轴载荷作用引发的结构非线性失效现象,结果表明传统风力机设计方法难以考虑的局部动态非线性屈曲失效破坏亦可能导致叶片在低风速台风下发生破坏。3.基于风力机叶片结构易在台风环境下发生过载和涡激振动而遭受结构损伤的失效机理,论文提出利用弯扭耦合叶片的自适应性抵抗台风环境造成的异常载荷状态。首先,通过参数化建模方法创建材料耦合和几何耦合等不同形式的弯扭耦合叶片几何模型、CFD模型及FEM模型。其次,针对最大载荷的高危风况,采用FSI方法分析不同类型弯扭耦合叶片的减载性能,其结果表明θ=15°纤维偏转的扫掠叶片可显著降低叶片极限载荷,其FEM分析显示该叶片可降低22.3%的表面最大应力。最后,针对最强烈涡激振动高危风况,通过FSI方法及时/频域分析研究各叶片气动性能,结果表明θ=15°纤维偏转的扫掠叶片可降低涡激振动的幅值和频率,可有效降低涡激振动造成的结构破坏。