流激振动问题在航空航天、能源、机械、生物工程等工业领域普遍存在,是影响结构系统安全、稳定、高效运行的重要因素。随着我国海洋资源开发、航行器高速推进技术、水利水电事业的发展以及先进材料在海洋工程、船舶推进系统等工程领域的广泛应用,复杂流动中的流固耦合效应使湍流诱振、涡激诱振、空化两相流诱振、双列叶栅强尾迹干涉以及动静水力干涉等诱发的结构振动等问题更加凸显,流激振动导致的振动噪声、部件局部失稳或疲劳失效已成为影响水下发射技术精准性与稳定性、水力机组安全运行与寿命损耗的重要因素。尤其当高速流场中局部压力下降至饱和蒸汽压发生空化时,由于汽液相变的存在,流体的脉动力作用增强,振动加剧,这显著加剧了流激振动问题的理论难度。本文主要针对我国战略舰艇推进技术研究、水力机械安全稳定运行过程以及复合材料在上述领域的应用中亟需解决的水动力关键问题,研究了非定常空化流固耦合振动机理以及材料力学性能对流激振动特性的影响。本文的主要研究内容及创新性成果如下:建立了非定常空化流动与结构流激振动多场同步实验测量平台,开展了系列空化流激振动实验研究。基于空化水洞实验平台,综合运用高速摄像观察和激光多普勒振动测试技术,实现了非定常空化流场形态和结构场瞬态振动的同步定量精确测量与分析。结合结构模态测试和瞬态振动信号分析与振动评价方法,获得了水翼结构的模态特性和绕水翼单相流动的流激共振特性。建立了一种非定常空化流动流固耦合数值计算方法。该方法在流场域,考虑汽液多相流可压缩特性和多相复杂流场边界层流动分离和转捩特性,发展了一种基于修正k-ωSST模型的?-Re?转捩湍流模型;在结构场,分解水翼的弯曲与扭转变形运动,建立了考虑水翼结构水弹性响应的结构动力学模型;提出了一种考虑流体附加作用力的混合耦合算法,进行流场作用力和结构场变形量的提取和相互传递,提高了数值计算的稳定性和精确性。获得了流动参数、结构激励参数等对水动力作用下的结构稳定性的影响。揭示了非定常空化的瞬态流动特征与结构的动态振动响应特性及其作用机理。水翼结构在不同空化阶段呈现出不同的振动特点,流激振动频率随着空化数的降低而减小。云状空泡的非定常发展是影响结构动态振动响应特性的主要因素,反向射流引起的云状空泡团断裂导致结构振动速度达到波动峰值,空泡的周期性脱落导致结构的振动速度发生大幅周期性变化。当空泡发展至水翼尾缘时,大尺度云状空泡团在水翼下游尾迹区域的溃灭冲击波及其引起的附着空泡二次溃灭导致结构振动加剧,振动具有大幅、低频的特点。获得了水动弹性耦合作用下的空化流动机理及流固耦合振动特性。综合运用实验测试技术和非定常空化流动流固耦合的数值计算方法,研究了绕刚/弹性水翼的非定常空化流动与结构水弹性响应特性,揭示了非定常空化发展过程与结构弹性变形的相互作用机理。空化加剧了水翼结构的弯曲和扭转变形,同时,非定常流动引发的水翼结构颤振与弹性变形导致流场水动力系数的明显波动,导致更加复杂的空化现象。基于复合材料水翼结构的制备与结构特性测试,研究了复合材料水翼结构的模态与阻尼性能,获得了流场非定常流动激励对复合材料结构振动特性的作用机制。结果表明,复合材料凭借其良好的可设计性,在增大其阻尼特性的同时,降低了结构各阶共振频率,为实现相应外界激励所需的流场来流速度大幅减小,从而使得在相同共振频率下,复合材料水翼结构的共振强度减小,结构稳定性增强,共振可能对结构造成的失效性和破坏性减小。