高超声速气动弹性技术是高超声速技术的重要内容之一,是高超声速飞行器总体设计的关键技术。新一代高超声速飞行器将广泛应用轻质材料,并采用大型薄壁结构设计;气动布局一般设计为细长体、升力体布局、完全或部分乘波体布局。特殊的结构设计、材料选择、气动布局和飞行环境使得高超声速飞行器气动弹性问题尤为突出。在各种气动弹性问题中,机翼颤振问题无疑是科学和工程中最重要的问题之一。颤振往往具有突发性,一旦发生,几秒钟内就能使结构生破坏,甚至导致飞行器解体。而在工程实际中,往往会存在着各种各样的非线性环节,改变颤振发生的条件,产生极限环、混沌等现象,降低飞行器的飞行稳定性和安全性。论文以高超声速飞行器为研究对象,针对飞行器设计过程中的机翼颤振问题,考虑工程实际中存在的结构、热/结构非线性因素,开展高超声速机翼的非线性颤振问题研究。建立高超声速机翼的结构非线性、热/结构非线性颤振模型,探索适用于非线性颤振分析的高效、准确、实用的分析方法,探讨高超声速机翼非线性颤振稳定性规律,深入研究高超声速非线性颤振机理,为高超声速飞行器机翼非线性颤振失稳速度的准确预测提供保障,为消除和预防所不希望发生的颤振不稳定性现象奠定必要的基础,为高超声速飞行器总体设计提供理论依据和技术储备。首先,建立了高超声速机翼颤振动力学模型。将机翼简化为二元机翼,选用沉浮和俯仰两个自由度进行结构建模,采用三阶活塞理论进行非定常气动力的建模,考虑气动热对结构的影响,通过拉格朗日原理建立了高超声速机翼颤振动力学模型。采用Runge-Kutta法对高超声速机翼颤振系统进行数值模拟,给出了不同飞行速度下颤振系统的动力响应,并寻得了机翼的颤振速度。第二,进行了高超声速机翼间隙非线性颤振问题研究。考虑全动舵在安装过程中与舵机或结构之间存在的间隙,研究存在间隙非线性情况下机翼颤振的特性。将间隙刚度问题采用间断函数来表示,建立了高超声速二元机翼间隙非线性颤振模型。提出了改进的同伦摄动法,将Lindstedt-Poincare方法的思想应用到同伦摄动法中,提高了该方法的求解精度。将改进方法应用到机翼间隙非线性颤振中,发现该方法收敛性不好。为此,提出了一种新的改进同伦方法,引入了低阶最优的思想,提高了收敛控制参数选取的速度,降低了收敛控制参数选取的难度,解决了同伦摄动法求解机翼非线性颤振问题时不能有效收敛的问题。采用改进同伦分析法分析了机翼的间隙非线性热颤振问题,结果表明该方法具有很好的效果,精度高,且求解过程较为简单,收敛控制参数的选取也较为容易,可以满足非线性颤振分析的要求。研究了间隙大小、非对称间隙及结构参数对高超声速机翼间隙非线性热颤振的影响。第三,研究了高超声速机翼刚度立方非线性颤振问题。高超声速飞行器为了减小气动阻力,在机翼设计过程中一般采用薄机翼,这就使得机翼在发生结构变形时其刚度会随变形量而发生变化,呈现立方非线性刚度,改变其动力学特性,从而影响飞行器气动弹性系统的颤振特性。基于拉格朗日方程建立了高超声速机翼刚度立方非线性颤振模型,引入了椭圆函数谐波平衡法分析机翼非线性颤振问题,改善了谐波平衡法在颤振求解时低阶精度不够的不足,同时拓展了椭圆函数谐波平衡法的应用范围。椭圆函数谐波平衡法求解高阶解较为复杂,为此,提出了改进的谐波平衡法,将非线性振动问题转化为一个极小值问题,提出采用智能优化算法进行极小值的求解,解决了基于梯度方法求解极小值问题时只能得到初始值附近极小值的问题,降低了求解的难度。研究了质心位置、质量比和弹性轴位置对机翼刚度非线性热颤振系统的线性颤振速度及非线性颤振速度比的影响。第四,研究了高超声速机翼热/结构非线性颤振问题。持续、严重的气动热环境是高超声速飞行器的主要特点之一。气动热环境的存在必将导致飞行器结构的热非线性变形,在结构内部产生热应力而改变结构刚度,改变机翼颤振速度,影响飞行器稳定裕度。根据Von-Karman大变形理论建立了温度载荷下机翼热非线性颤振的模型,该模型可以有效地考虑不均匀分布的温度场。引入了微分求积法进行了高超声速机翼非线性热颤振分析,采用有限元法及已知结果验证了模型与程序的正确性、合理性及适用性,同时表明了微分求积法的高效性。给出了高超声速机翼非线性颤振的动力响应过程,研究了温度载荷、温度分布及结构参数对高超声速机翼非线性热颤振的影响。最后,研究了高超声速机翼复合材料蒙皮的热/结构非线性颤振问题。选取复合材料蒙皮中的一个板格,将其视为二维平板模型,根据Von-Karman大变形理论建立温度场载荷下热非线性颤振的结构模型,通过弹性理论建立复合材料蒙皮非线性热颤振的数学模型。采用微分求积法进行了高超声速复合材料蒙皮非线性热颤振分析。研究了复合材料蒙皮非线性颤振响应问题,结果表明,在来流速度较小时,响应是稳定的;当来流速度较大时,系统并没有像线性系统一样颤振发散,出现极限环振动;当流速继续增大时,系统的响应出现一个周期2的极限环颤振;当流速继续增大时,系统的响应又呈现为周期1的简单极限环状态,且其振动幅值随流速的增大而不断的增大。研究了温度载荷及结构参数对高超声速复合材料蒙皮非线性热颤振的影响。本文系统深入地开展了高超声速机翼的非线性颤振问题研究,有效地提高了高超声速飞行器机翼颤振临界速度的准确预测能力,进一步推动了高超声速气动弹性技术的发展。