高空长航时大柔性飞行器可用于执行侦察、监测、预警和通信中继等任务,具有广阔的发展潜力及应用前景,是临近空间飞行器重要的结构形式之一。为了提高气动效率、任务载荷,此类飞行器通常采用轻质复合材料,具有大展弦比柔性机翼。大柔性飞行器结构与气动荷载耦合形成的气动弹性问题,与传统飞机有很大区别,体现在结构变形较大、系统中不确定性因素突出、弹性振动与刚体模态产生耦合等方面。这些特点决定了以往的非定常气动力理论、气弹稳定性建模和分析方法可能并不再适用。因此,有必要发展新的气弹系统动力学建模和稳定性求解方法,为此类新型大柔性飞行器的结构设计与气弹分析提供支撑。在上述需求的牵引下,本文主要开展了以下研究工作:1、研究了大柔性飞行器气弹稳定性分析特征值问题的构造及求解方法。将控制理论中的结构奇异值理论应用到气弹系统的稳定性分析中,以来流动压为有界摄动量,构造状态空间域的系统矩阵和特征值问题,最终获得标称气弹稳定性边界。算例研究表明,相比于经典的频域颤振分析方法,该方法具有更好的精度,得到的稳定性边界与实验值更吻合。该方法作为本文后续气弹系统稳定性分析的理论基础。2、提出了一种具有统一形式的气弹系统状态空间建模方法。对几种常用的非定常气动力理论模型进行了推导,并结合有限元模型的状态空间方程,给出了建立于状态空间的气弹系统统一形式。在此统一形式的基础上,研究了气弹系统与控制系统的耦合、颤振模态追踪等问题。算例研究表明,该方法具有形式统一、易于多学科耦合、能够兼顾时/频域分析的优点。采用文本提出的基于左-右特征向量正交检验的模态追踪算法,能够比传统的基于MAC值的模态追踪算法更为准确地分辨大柔性飞行器结构颤振模态变化趋势。后续章节针对大柔性飞行器气弹稳定性的研究都采用了本章提出的统一状态空间建模方法。3、建立了基于非定常涡格法气动力理论的柔性飞行器结构时间步长推进仿真框架。提出了一种基于瞬时变形信息的时变无限板样条插值方法,基于此插值方法给出了非定常涡格法与梁单元有限元结构、壳单元有限元模型的耦合分析框架。为了构造气弹系统的时域离散状态空间方程以便进行稳定性分析,研究了基于UVLM非定常气动力的解析气弹灵敏度分析方法。算例研究表明,时变无限板样条插值相对于传统方法更符合实际情况,得到的气动荷载分布更为准确。基于链式法则的解析气弹灵敏度分析方法能够解决UVLM时间迭代仿真不易求解特征值的问题。采用了三种不同建模精度的大柔性飞行器结构模型,验证了基于UVLM气动力的气弹系统建模和稳定性分析方法的有效性。4、研究了基于结构奇异值理论的大柔性飞行器结构鲁棒颤振稳定性分析方法。推导了基于结构奇异值理论的气弹系统线性分式变换结构形式,并给出了考虑结构刚度/阻尼参数不确定性、模态参数不确定性、气动力参数不确定性的鲁棒气弹系统建模方法。算例研究表明,在构建标准P-Δ反馈系统时,将参数不确定性项提取为增广方程,可以显著降低代数推导工作量。在大展弦比长直机翼结构中,气弹稳定性对模态阻尼参数不确定性最为敏感,对于气动力参数不确定性较不敏感。由于计及了不确定性的不利取值影响,鲁棒颤振稳定边界总是小于标称颤振边界。将算例结果与文献值对比,证明了本文提出的基于结构奇异值理论的鲁棒气弹稳定性分析方法准确有效。5、研究了大柔性飞行器结构考虑刚弹耦合效应后的建模和稳定性分析方法。将平均轴系法与前文所述的气弹系统统一状态空间方程结合,发展了一种模态坐标下的刚弹耦合建模方法。通过定义合适的平均轴系,并假设整机瞬时质心不变,在飞行器平衡状态附近将刚体运动方程线性化,进而得到与弹性运动无耦合项的整机刚体运动方程。联合气弹系统统一状态空间模型,叠加得到考虑刚弹耦合的气弹系统控制方程。通过混合机翼体模型的仿真算例验证了考虑刚弹耦合效应后系统建模与稳定性分析方法的有效性。算例研究表明,考虑刚弹耦合效应后的全机自由模态基频小于约束的悬臂机翼模型的基频。刚弹耦合效应使得结构的稳定性边界降低,在本文采用的混合机翼体模型中,降幅达到了29.6%。体自由度颤振表现为刚体短周期模态与机翼对称一弯模态耦合诱发的颤振。