为了从环境中捕获更多风能,风电机组朝着高塔筒、长叶片、大功率的大型化方向发展,机组结构变的更加复杂;同时为了减轻质量、节约成本以及出于不同的设计需求,叶片往往被设计为柔性且具有弯、扭、掠等复杂外形的细长形式。这些都导致风电机组面临更为严重的几何非线性、气弹、共振、失稳等动力学问题,需要建立更适用大型风电机组的动力学分析工具来进行机组载荷和运行安全性评估。因此,该文建立了适用于现代大型风电叶片和机组的动态响应分析模型,搭建了仿真分析平台,并基于理论分析、数值计算和实验模拟的方法对叶片几何非线性问题、自由振动和旋转振动的振动模态问题以及风轮不平衡问题等风电叶片及机组的动力学问题进行了研究。关于模型建立,首先基于多体动力学理论中的绝对坐标方法建立了叶片快速分析模型BaMB（Blade analysis with Multi-Body）,实现了 MATLAB编程设计和模型验证。其中,叶片被离散为由球铰、弹簧和阻尼器链接而成的多刚体系统,叶片变形和内部抵抗变形所产生的弹性力分别采用球铰在空间的自由转动及三维多刚体离散元模型得到的弹簧等效弹性力等效替代。BaMB模型可以用较少的自由度准确预测叶片的变形,能够描述叶片预弯、扭角、后掠等复杂几何特征,且具备几何非线性分析能力;模型动力学方程中已包含旋转所产生的惯性力,可以进行叶片在旋转状态下的动力学分析;BaMB模型将叶片离散为多刚体系统,适用于任意多刚体系统或刚-柔耦合多体系统,改变约束方程和弹簧等效弹性力并给出合理的坐标初值和外载荷后可直接应用于整机。通过将BaMB推广到整机,并结合BEM气动模型、变速变桨控制模型、包含剪切风和湍流风在内的风模型建立了风电机组气动-结构-控制耦合模型ARC（Aero-structure-control coupling）,给出了模型气动、结构、控制以及载荷计算的详尽表达式并实现了 MATLAB编程设计。其中风电机组被简化为叶片、轮毂、机舱和塔架组成的多体系统,轮毂和机舱建模为单个刚体,叶片和塔架被离散为多个刚体。ARC模型考虑了气弹影响以及风轮和塔架的耦合振动,可以实现定常风、剪切风以及湍流风下机组的动态响应分析,同时模型三款叶片独立建模,为风轮不平衡的研究奠定了基础。对于叶片几何非线性问题,以一款100 kW小型直叶片和一款2.3 MW的大型预弯叶片为研究对象,对传统欧拉-伯努利梁模型、铁木辛柯梁模型、有限元模型以及BaMB模型在静力加载条件下的仿真结果与实验值进行了对比研究。结果表明,大型预弯叶片在加载过程中表现出更为明显的几何非线性变形行为;在大变形情况下,线性欧拉-伯努利梁和铁木辛柯梁模型对于变形的预测误差会大幅增加;BaMB模型能够准确预测叶片的小变形和大变形,且对于变形的预测精度接近有限元,但计算效率远超有限元。研究结果验证了 BaMB模型描述叶片复杂几何外形和预测叶片非线性变形的能力。对于振动模态问题,通过结合BaMB模型与模态参数识别法,充分讨论了旋转状态下动力刚化效应对叶片固有频率和运行安全性的影响以及预弯、重力等参数对旋转叶片固有频率的影响。研究发现,预弯和重力对旋转叶片各阶固有频率大小影响较小,但会加强挥舞-摆振耦合振动;动力刚化效应会明显增大叶片各阶挥舞频率且模态阶数越低影响越大,一阶挥舞频率在额定转速下可增长约20%,这导致坎贝尔图中考虑动力刚化效应影响后的一阶挥舞频率和3P的交点所对应的转速增加;挥舞频率的显著增加缩小了挥舞-摆振以及挥舞-扭转频率之间的差距,且越柔的叶片表现越明显,易引发稳定性问题。对于风轮不平衡问题,分析了不同控制区间的剪切风下一台1.5MW风电机组存在附加的集中质量和离散质量偏差,以及机组单叶片存在不同桨距角偏差时机组的动态响应,揭示了风轮质量不平衡和桨距角偏差所引起的气动不平衡对机组各项参数的影响规律,为风轮不平衡的检测和识别提供了理论指导。此外,全面分析了切入到切出的全风速湍流风下机组存在不同桨距角偏差对机组的输出功率、年发电量损失、叶片变桨角度、叶片载荷和变形以及机舱轴向加速度频谱的影响,并基于分析结果提出了一套以实测数据中平均风速、叶片平均挥舞弯矩/变形的相对大小,以及机舱轴向加速度1P与3P之比的频谱特性为判定指标的风轮角度偏差精准识别定位方法,该方法对于工程中风轮不平衡的检测识别具有重要指导意义。