题目：高超声速飞行器气动-热-结构耦合分析方法研究

高超声速飞行器一般是指飞行马赫数大于5，在大气层和跨大气层中实现高超声速飞行的飞行器。高超声速热气动弹性问题，由于其涉及到气动、热、结构等多个学科间的交叉与耦合，是目前该领域内的重点和难点问题。本文围绕高超声速飞行器这一研究对象，在高超声速气动-热-结构三场耦合机理、壁板颤振、全/降阶建模仿真分析和热不确定性问题等方面开展了深入广泛的研究，建立了高超声速气动-热-结构三场耦合问题统一的耦合分析框架和综合应用方法。本文的主要研究内容包括以下五个方面：1）高超声速气动-热-结构三场耦合问题统一的分析框架针对高超声速热气动弹性多学科间不同的耦合层面，梳理了问题的分析思路。在物理层面，认为弱耦合的物理意义较小，只关注强耦合问题；在求解思路层面，同时考虑单向耦合和双向耦合的分析思路，并对这两者进行比较分析；在计算方法层面，既使用了松耦合的迭代求解方法，也使用了对气动弹性问题一次求解的紧耦合方法。针对高超声速全/降阶耦合分析，研究总结了各学科本身的全/降阶建模计算方法，并建立了三场耦合问题统一的时间推进策略。最终在以上内容的基础上完成了高超声速三场耦合问题统一的耦合分析框架。2）高超声速气动-热-结构三场耦合壁板颤振分析针对高超声速二、三维平面及曲面壁板，研究了其分析理论、思路和数值求解流程。分析中气动力求解统一使用三阶活塞理论，气动热求解则统一使用Eckert参考温度法。在结构分析中，针对不同的研究对象分别采用了迦辽金方法和有限元方法等不同的建模手段。通过算例分析，对比了不同耦合方式对颤振稳定性的影响，并研究了不同初始条件下壁板的响应问题。3）高超声速翼面气动-热-结构三场耦合静气动弹性分析针对具有代表性的高超声速飞行器翼面结构，完成了其在三场耦合框架下的具体分析流程。分析中使用激波膨胀波和当地活塞理论来求解气动力，使用Eckert参考温度法来求解气动热，使用有限元方法来求解热传导和结构静/动力学。通过算例分析，对比了不同耦合方式对静气动弹性响应的影响，并强调了热变形和辐射散热对该问题的重要意义。4）基于降阶模型的高超声速翼面气动-热-结构三场耦合快速分析方法由于高超声速翼面三场耦合问题的复杂性，运用多种降阶模型搭建了针对该问题的快速分析框架。对于气动力的降阶，使用了基于外部气动力的面元法；对于气动热的降阶，使用了Kriging代理函数法；对于热传导的降阶，使用了POD方法；对于结构分析的降阶，使用了等效模态法。通过算例分析对比了全/降阶模型的耦合分析结果，从而验证了基于降阶模型的快速分析框架的实用性和准确性。5）考虑热不确定性的高超声速翼面气动-热-结构三场耦合问题针对高超声速气动热计算的不精确性，建立了可以考虑热不确定性的耦合分析方法。将热传导分析的输入热流视为不确定的区间参数，利用有限元法形成区间有限元方程，使用矩阵摄动方法求解这一方程，并将计算结果与经典的蒙特卡洛法进行了对比。随后，将这一区间方法引入到高超声速翼面三场耦合分析流程中，使用遗传算法获得了结构的最严酷温度场，并以此温度场为基础进行相关的静气动弹性分析，最后通过算例分析验证了这一分析流程的必要性和适用性。