吸气式高超声速飞行器和可重复使用运载器,长时间飞行在恶劣的气动热环境中,严酷的气动加热使结构材料性能发生显著变化,改变了结构的固有特性,导致结构稳定性降低。因此,高温、高动压、热结构特性相互耦合时飞行器参数的时变性和非线性突显,使其非线性气动热弹性问题变得异常显著。气动热弹性分析技术是设计这类飞行器的关键技术之一。气动热弹性弹性分析系统由非线性气动力(热)/结构传热/结构动力学耦合(简称三场耦合)组成。本文围绕非线性气动热弹性分析系统的建模以及非线性气动力(热)/结构传热/结构动力学耦合求解方法开展研究,主要研究成果如下:(1)编写了CFD求解器,实现了高超声速流场求解。在高温化学反应建模中,通过平衡常数法与Hermite型插值相结合的方法计算热力学属性和输运属性,降低了CFD中单独采用平衡常数法时的计算量,同时克服了分段拟合法连续性差的缺点。在此基础上,采用Menter’s SST湍流模型、Ausmpw+格式和LUSGS方法编程实现了适用于高超声速流的CFD程序。此外,为了保证气动热的计算精度,采用Laplace方程对计算网格进行正交和光顺处理。随后,通过算例对自编CFD程序进行了验证,与参考资料结果比较有较好的精度。(2)采用有限元方法编程实现了结构温度场和位移场的求解。在求解结构温度场时,通过集中热容法避免了非物理振荡,采用预处理共轭梯度法提高了计算效率。求解结构位移场时,在引入热效应的同时考虑了结构的几何非线性。通过典型算例,计算结果与解析解和商业软件计算结果对比基本吻合,验证了有限元求解器在求解温度场和位移场时有较好的精度。(3)提出了一种基于等参单元逆变换的有限元法插值方法,实现了对气动网格、传热网格和结构网格上压强、变形、热流和温度传递的统一处理,克服了常规全局插值方法对间断型物理量插值能力不足和计算量大的问题,并且避免了通过多种插值方法实现面插值和体插值在三场耦合的复杂性。提出了一种结合RBF外插、有限元插值投影和TFI技术的保形动网格方法,解决了非定常分析中多部件非连续复合变形的动网格问题。(4)提出了四种三场耦合求解策略,即:非定常双向耦合策略、非定常单向耦合策略、准定常双向耦合策略和准定常单向耦合策略。分别给出了四种耦合策略求解流程以及数值模拟方法。提出了两种普适、易用和高效的初值计算方法,解决了非定常单向耦合策略中非定常气动热-传热耦合与非定常气动弹性耦合的衔接问题。从理论上分析了四种策略中双向耦合效应和非定常效应的影响程度,给出了各耦合策略理论上的适用范围。(5)采用四种三场耦合策略,开展了小展弦比机翼和壁板的气动热弹性分析,通过不同耦合策略下的结果对比给出了各耦合策略的适用范围:1)非定常双向耦合策略在气动热弹性分析中具有最全面的物理场模拟能力,适用于计算温度场、耦合变形响应和载荷,可以进行热颤振分析,但是计算量庞大,需要完成并行化并移植到高性能计算集群上才有工程实用价值。2)非定常单向耦合策略适用于计算耦合变形和载荷,可进行热颤振分析,还能获得发生热颤振后的振动频率和幅值,但是仅在满足结构变形对气动热-传热耦合计算的影响较小的前提的条件下适用于温度场计算。3)准定常双向耦合策略仅适用于热颤振发生之前的温度场、准定常结构变形和准定常载荷计算,不能进行热颤振分析,应用前提为准定常变形基本位于非定常变形中心。4)准定常单向耦合策略仅适用于热颤振发生前的准定常结构变形计算,不能进行热颤振分析,仅在满足结构变形对气动热-传热耦合计算的影响较小的前提的条件下适用于温度场计算。该耦合策略由于同时采用了准定常假设和单向耦合假设,因此只有二者同时成立时才能适用。