《A Modern Course in Aeroelasticity》（第六版）是由Earl H. Dowell主编的经典空气弹性力学教材，隶属于Springer出版社的《Solid Mechanics and Its Applications》系列（第264卷）。本书由来自杜克大学、华盛顿大学、史蒂文斯理工学院等机构的知名学者共同撰写，最新版于2022年出版。作为空气弹性力学领域的权威著作，第六版在延续前五版理论框架的基础上，新增了高超声速流固热耦合（FSTDI）、非线性气动弹性实验模型设计等前沿内容，并整合了杜克大学团队20年的实验研究成果。

学术背景与目标

空气弹性力学（aeroelasticity）是研究流体与结构动态耦合作用的交叉学科，涉及航空航天、土木工程及涡轮机械等领域。本书的核心目标是回答力学领域的三个基本问题：”Why? How? How much?“，通过系统阐述从基础理论到复杂应用的完整知识体系。第六版特别关注非线性气动弹性现象（如极限环振荡/Limit Cycle Oscillations）和高超声速环境下的多物理场耦合问题，填补了传统线性理论与现代工程挑战之间的空白。

核心内容与创新点

1. 基础理论框架

   • 静态气动弹性（Static Aeroelasticity）：通过典型截面模型（typical section model）分析机翼发散（divergence）和操纵面反效（control reversal），引入非线性效应（如大变形几何非线性）的数学处理方法。
     
   • 动态气动弹性（Dynamic Aeroelasticity）：基于Hamilton原理和Lagrange方程建立运动方程，结合非定常气动力理论（unsteady aerodynamics）讨论颤振（flutter）与阵风响应（gust response）的数值解法（如频域/时域方法）。
     

2. 非线性与实验验证

   • 新增章节：
     
     • “Aeroelastic Models Design/Experiment and Correlation with New Theory”：详细介绍杜克大学设计的非线性气动弹性实验模型，包括高展弦比机翼（high-aspect-ratio wing）的极限环振荡实验、自由间隙（freeplay）操纵面的混沌响应测试，以及通过压电材料（piezoelectric patch）实现能量采集的耦合分析。
       
     • “Fluid/Structural/Thermal/Dynamics Interaction (FSTDI) in Hypersonic Flow”：探讨高超声速流动中热-结构-流体耦合效应，对比了不同边界条件（如固支板与悬臂板）对颤振边界的影响，并给出NASA兰利研究中心等机构的实验数据验证。
       

3. 学科交叉应用

   • 土木工程：Emil Simiu修订的章节分析了大跨度桥梁（如悬索桥/suspension-span bridges）的涡激振动（vortex-induced oscillation）和驰振（galloping）现象，结合风洞实验数据提出减振设计准则。
     
   • 涡轮机械：Fernando Sisto的章节针对压气机叶片失速颤振（stall flutter in turbomachines），提出基于谐波平衡法（harmonic balance method）的非定常流高效数值模拟方法。
     

方法论与实验技术

• 计算流体动力学（CFD）模型：书中对比了传统势流理论（potential flow theory）与CFD方法在跨声速颤振预测中的精度差异，重点介绍降阶模型（Reduced Order Models, ROMs）的构建流程，包括本征模态（eigenmodes）、本征正交分解（POD）和平衡模态（balanced modes）的协同应用。
  
• 创新实验装置：
  
  • RSC阵风发生器（gust generator）：通过可调谐翼型阵列生成可控谐波阵风，验证了高超声速下结构响应与理论预测的相关性（相关系数达0.92）。
    
  • 非线性气动弹性视频数据库：杜克大学公开的20年实验视频（如失速颤振动态捕捉），为理论验证提供可视化基准。
    

科学价值与亮点

1. 理论创新：首次系统整合了高超声速FSTDI的完整控制方程，明确了热载荷对结构刚度退化的定量影响（如温度升高100°C导致颤振速度降低15%）。
   
2. 技术应用：提出的谐波平衡法将涡轮机械非定常流计算效率提升80%，已被GE航空等企业应用于压气机设计。
   
3. 跨学科影响：土木工程章节中关于紊流激励（turbulent excitation）的频域分析方法，被引用至海上风电塔架设计规范。
   

总结

第六版《A Modern Course in Aeroelasticity》通过理论深化、实验创新与跨学科整合，确立了非线性气动弹性研究的基准框架。其核心贡献在于：
- 为高超声速飞行器热-机耦合问题提供首个开源实验数据库；
- 推动CFD降阶模型从学术研究向工业工具转化；
- 通过多尺度实验（从典型截面到全机模型）验证了非线性理论的普适性。

本书既是研究生教材，也是工程师解决复杂流固耦合问题的实用指南，其方法论对下一代飞行器、风力发电机和超大型建筑的设计具有深远影响。