在架空输电导线和斜拉桥拉索等大跨度系统中存在着一种柔长结构,这种结构具有大柔度、小阻尼和小质量的特点,其纵向尺度远远大于横向尺度,且具有单向刚度,只能承受拉力,而不能承受压力。由于长期暴露于自然环境中,雨雪天气会导致此类结构圆截面的改变,在来流风场下易形成一种大幅振动,如输电导线覆冰舞动时会导致跳线、断电甚至杆塔倒塌;斜拉索由于水线附着而引起的振动会造成斜拉桥结构疲劳损坏,影响交通安全。本文对此类非圆截面柔长结构的非线性振动特性进行了理论研究、数值模拟和实验验证,探讨了这类柔长结构的风致振动机理和丰富的非线性动力学现象。论文的主要内容和研究成果包括:针对一类近椭圆形非圆截面柔长结构,考虑其几何非线性和气动载荷非线性,利用Hamilton原理建立了面内、面外和扭转三个方向耦合的连续体动力学模型。采用Galerkin法对连续体模型进行空间离散,得到了系统的常微分方程。利用平均法求得了系统的平均方程和分岔方程,建立了分岔参数、开折参数与工程参数的对应关系,并对分岔参数与开折参数进行了解耦。根据奇异性理论,得到了以工程参数界定的转迁集、以面内阻尼比表示分岔参数的拓扑曲线。结合约束分岔理论,将转迁集转换为约束转迁集,结果表明系统存在鞍结分岔点和跳跃现象。就不同区域内典型的拓扑结构进行数值验证,发现系统中存在周期解和混沌解。针对液体在截面形成的水线与圆截面组成的非圆截面柔长结构,建立了柔长结构在面内、面外与水线的耦合运动方程。通过对均匀风速下水线的受力分析,确定了水线的平衡位置(初始位置)与液体质量、风速的数学表达式。讨论了水线在平衡位置的运动对系统幅值的影响,发现水线在平衡位置的运动是影响系统大幅振动的关键因素。通过数值模拟,研究了柔长结构与水线的耦合运动。确定了由库伦阻尼力产生符号函数的积分范围,采用平均法分析了风速、库伦阻尼力、面内阻尼比、档距和初始拉力等参数对系统的影响,研究表明风速是导致系统产生跳跃现象的关键因素。研究了该类非圆截面柔长结构在来流风场和一端轴向激励共同作用下的动力学行为。基于Hamilton原理建立了附带边界条件的面内与轴向耦合的非线性动力学模型。通过简化得到了面内振动的参数激励系统,并借助Galerkin法得到了轴向激励下系统的常微分运动方程。以覆冰输电导线中的直线塔-线系统为例,通过计算相邻档距运动时产生的动张力,确定了轴向激励幅值的基本范围。通过数值计算,研究了轴向激励频率和激励幅值对系统稳定性的影响,发现当轴向激励频率接近导线一阶固有频率时,系统存在倍周期、概周期和混沌等运动模式。与未受轴向激励模型的对比表明,相邻档距运动会导致该跨舞动幅值明显增大、临界风速下降,影响舞动的稳定性。采用多尺度法,分析了近椭圆形非圆截面柔长结构在来流风场和轴向激励作用下的1/2亚谐共振行为,得到了系统在不同参数下的幅频响应曲线,所得曲线拓扑结构各异,呈非线性动力软特性。经与未受轴向激励模型的比较,验证了参激模型下系统的多解和跳跃等不稳定现象。利用奇异性理论得到了系统的转迁集和分岔曲线,找到了与幅频曲线各拓扑结构相对应的转迁区域,并依据不同拓扑结构设计了非线性参数控制器,消除鞍结分岔点。经Normal Form变换,求得了系统的最简式和余维2退化分岔的普适开折形式,通过对平衡点的稳定性分析,得到了系统的Pitchfork分岔点集和Hopf分岔点集。利用Melnikov理论求得了系统的异宿分岔点集,所得集合将参数平面分为四个区域,每个区域的平衡点个数和平衡点附近的向量场都不尽相同。通过建立非圆截面柔长结构面内前四阶与扭转第一阶模态的耦合模型(模型一)、面内前四阶与扭转前四阶模态的耦合模型(模型二),研究了柔长结构的多模态耦合舞动行为。基于模型一,通过初值稳定性分析,确定了系统在风速-档距参数平面内的Hopf分岔点集。并通过数值模拟,研究了系统在Hopf分岔点集所划分的参数域中单模态、双模态和多模态耦合的动力学行为。研究表明,风速越高、档距越大越容易激发柔长结构的高阶模态。通过分析面内第一阶模态和第三阶模态间的1:3内共振行为,发现了高阶模态向低阶模态的能量传递,并分析了对称模态与反对称模态间的能量传递。基于模型二,对系统的初值稳定性进行了研究,发现在风速增大过程中,面内前四阶模态会先后经历两次Hopf分岔,舞动幅值呈先增大后减小的趋势。同时发现柔长结构单位长度质量越小,临界风速越低,越容易激发舞动的高阶模态。通过研究扭转阻尼比对舞动模态变化规律的影响表明,扭转阻尼比越大,二次Hopf分岔点对应的临界风速越大,当扭转阻尼比较大时,模型二趋近于模型一。设计并建立了连续体柔长结构舞动实验专用风洞,以近椭圆形非圆截面柔长结构为模型,采用激光传感器测量柔长结构不同位置处的振动位移,开展了多模态耦合舞动的实验验证。先后进行了圆截面与非圆截面柔长结构的对比实验、不同风速下柔长结构的舞动实验、阻尼对舞动的影响实验以及柔长结构横截面积对舞动的影响实验。实验结果表明:非圆截面致使气动力失稳是导致舞动的根本原因;各阶模态随风速增大呈现先增大后减小的特点;且伴随着前一阶模态的减小和后一阶模态的增大,其间存在单模态、双模态和多模态的耦合舞动;风速越大、单位质量越小越容易激发柔长结构的高阶模态,实验结果与理论结果基本吻合。