跨音速颤振和跨音速抖振都是经典的跨音速气动弹性问题,它们有可能导致飞行器结构的破坏,常常影响新型号的研制进程。学术界普遍认为抖振问题的流固耦合特性较弱,常采用解耦方法基于刚硬机翼开展研究,而实际上机翼的弹性特征对跨音速抖振特性影响较大。随着计算流体力学(CFD)的发展,数值仿真已成为跨音速抖振和颤振研究的重要手段。论文采用非定常雷诺平均N-S方程(URANS),通过流固耦合时域模拟方法,研究了弹性机翼跨音速状态的抖振问题。对于跨音速单自由度颤振问题研究,除了采用直接的数值模拟方法,便于其参数分析和机理研究,还建立了基于降阶模型(ROM)的跨音速单自由度颤振分析模型。主要开展了如下工作:(1).基于流固耦合时域仿真方法研究弹性机翼在跨音速抖振边界附近的单自由度颤振特性。在抖振起始迎角之下,耦合系统会发生单自由度自激振荡,并且这种颤振发生的条件与抖振密切相关,只在迎角轻微低于抖振起始迎角,并且只有结构固有频率与抖振频率或其2倍频接近时才发生。颤振响应特性在抖振起始迎角上下没有发生突变,其变化是近似光滑的,也会出现跨音速抖振响应中存在的“锁频”现象。这种单自由度颤振的诱发与跨音速抖振密切相关。(2).对单自由度颤振的特征分析表明,气动模态和结构模态的耦合,是诱发跨音速单自由度颤振的根本原因,而发生耦合的条件是:(a)流动本身接近失稳,气动模态阻尼较小;(b)结构固有频率与气动特征频率满足一定的相对关系。结构刚度较大时,耦合失稳频率跟随结构固有频率,即“锁频”现象;而对于小刚度,耦合失稳频率在流动特征频率附近,此时传统的强迫运动法不再适用。(3).弹性机翼在跨音速流动中可能发生颤振和抖振的伴生和博弈现象。颤振促使结构响应发散,当瞬时迎角大于抖振起始迎角,抖振伴随颤振发生,抖振的高频气动载荷破坏了颤振模态导致结构响应转为衰减,振幅减小,抖振退出,结构又将发生颤振,周而复始。算例表明,高频的抖振载荷使颤振两个模态间的相角差发生明显变化,结构由从气流中吸收能量变为向气流输送能量,导致颤振临时退出。该现象为颤振的抑制提供了一种新的思路。