高空超长航时太阳能无人机可用于执行侦察、监测、预警和通信中继等任务,具有广阔的发展潜力及应用前景,是临近空间飞行器重要的研究对象之一。受其独特的能源形式限制,高空超长航时太阳能无人机一般具有展弦比大、翼载荷低、结构面密度低、结构柔性大等特点,在气动载荷的作用下,机翼将产生较大的弹性变形,结构刚度、质量分布和推进系统分布等特性相对变形前状态亦发生较大改变;线性理论无法满足这类飞机气动弹性及飞行力学研究的精度需求,迫切地需要发展高精度的非线性气动弹性、配平及稳定性求解工具。考虑机翼几何大变形效应的大柔性飞机非线性气动弹性及飞行力学分析方法是目前这类飞机研究的关键技术之一。在上述研究需求的牵引下,本文主要开展了以下研究工作:(1)大尺度、大展弦比高空超长航时太阳能无人机的机翼结构在设计时一般采用柔性设计思想,允许较大的弹性变形,常规的线弹性结构模型求解假设不再适用。本文,基于Co-rotational(CR)理论,首先推导了结构变形后的切线刚度矩阵及其内力求解格式、切线质量矩阵及动力学平衡方程,建立了高精度的几何非线性结构模型,并给出了非线性静力学增量平衡方程和直接数值积分法求解非线性动力学平衡方程的计算流程。以大柔性悬臂梁为例,验证了其求解的精度、效率以及编写的Fortran求解程序的有效性。研究表明:采用Newton-Raphson迭代格式求解静力学增量平衡方程时,只需3-5次子迭代即可满足位移收敛标准<10-3,且最大求解误差不超过3%。CR有限元法具有较高的求解效率和较好的计算精度,可以用于大柔性太阳能无人机的结构建模,以便较好地模拟其大柔性机翼结构的几何非线性变形特征。(2)大柔性太阳能无人机较大的机翼弹性变形,将引起气动载荷的重新分布及作用方向的改变,无人机变形后的气动特性研究对其总体设计亦具有重要的参考意义。本文基于CR静力学模型耦合计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)技术,构造了流固耦合求解器,提出了一种可以考虑几何大变形效应的大柔性飞机静气动弹性求解方法,研究了某新颖布局太阳能无人机的静气动弹性响应特性。研究表明:无人机受载后,随着变形的增加,升阻特性将变差,滚转力矩导数和偏航力矩导数的绝对值可增加数倍,并改善了气动载荷在展向的分布,从而有利于结构设计;采用线弹性结构模型求解假设研究这类飞机的静气动弹性问题时,将产生较大的偏差。(3)随着弹性变形的增加,大柔性太阳能无人机机翼的结构刚度特性、质量分布特性等将发生较大改变,仍采用线性动气动弹性分析方法研究这类飞机的动气动弹性稳定性问题时,将产生较大的偏差。本文对基于CR理论的大柔性结构动力学方程进行线性化,耦合片条非定常气动力模型,引入准模态假设,提出了一种适用于大柔性太阳能飞机的非线性气动弹性稳定性分析方法;基于该方法,研究了弹性变形、结构刚度、弹性轴位置、剖面质心位置、集中质量在展向的分布等因素对类“太阳神”布局太阳能无人机的动气动弹性稳定性的影响。研究表明:随着机翼弹性变形的增加,非线性颤振速度可下降8.6%以上,非线性颤振频率可下降6.49%;合理地增加结构刚度、前移弹性轴或剖面质心,合理地布置集中载荷等,均可以有效地改善几何大变形对这类飞机气动弹性稳定性所造成的不利影响。(4)对比了非定常涡格法、基于Wagner函数的Duhamel积分形式的非定常气动力模型和ONERA动态失速模型及其改进形式等描述时域非定常气动力的精度,研究了二元翼段非线性气动弹性响应特性;采用基于CR理论所建立的大柔性机翼结构动力学模型,耦合改进的ONERA动态失速非线性非定常气动力模型,提出了一种适用于大柔性机翼的非线性气动弹性时域响应求解方法,通过算例验证了该方法的精度、计算效率及所编写相应Fortran程序的有效性,合理地预测了这类大柔性机翼的极限环颤振特性。(5)考虑几何非线性气动弹性效应的大柔性飞机非线性配平、飞行载荷及运动稳定性分析是大尺度大展弦比超柔性太阳能无人机设计时必须要考虑的问题之一。本文采用CR有限元理论在其非线性结构模型基础之上,进一步引入了重力、分布式推力等模型,并考虑了机翼几何大变形引起的气动载荷分布、结构刚度、质量分布、推进系统推力等特性的改变,提出了一种适用于大柔性飞机非线性配平、飞行载荷分析及运动稳定性研究的求解方法,并采用Fortran语言编写了该方法的迭代求解代码;基于该方法,研究了具有分布式推进系统的大柔性太阳能飞机的非线性飞行力学特性。研究表明:变形较大时,采用线弹性结构模型解得的配平误差可达50%以上,翼尖位移预测误差可达25%以上;所提出的非线性飞行力学分析方法具有较好的精度,满足大柔性太阳能无人机飞行力学分析所需的精度要求。本文基于CR理论,提出了一种适用于大柔性飞机非线性气动弹性及飞行力学分析的求解方法,基于该方法研究了大柔性太阳能飞机的静气动弹性、气动弹性稳定性、非线性配平及飞行动力学等问题,对以太阳能飞机为代表的大柔性飞行器的设计具有一定的借鉴意义及工程指导价值。