固體力學(xué)的發(fā)展及其在航空航天工程中的運(yùn)用解析

盧　萍 孫　凡 郝　穎

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112008）

固體力學(xué)的發(fā)展及其在航空航天工程中的運(yùn)用解析

盧萍 孫凡 郝穎

（遼寧工程職業(yè)學(xué)院，遼寧 鐵嶺 112008）

固體力學(xué)是力學(xué)中形成比較早的思想，同時(shí)在應(yīng)用方面也比較廣泛，不僅在水利工程中被廣泛應(yīng)用，同時(shí)在航空航天工程中也被廣泛地應(yīng)用。本文圍繞固體力學(xué)在航空航天工程中的運(yùn)用，分析了其具體的應(yīng)用手段，同時(shí)也對(duì)其發(fā)展提出了幾點(diǎn)建議。

固體力學(xué)；發(fā)展；航空航天工程

固體力學(xué)最早形成于20世紀(jì)的50年代，作為力學(xué)中的一項(xiàng)新學(xué)科，在計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)上，逐漸得以形成和發(fā)展，與此同時(shí)基于有限元法的理念，在現(xiàn)代逐漸得以迅速地發(fā)展。隨后發(fā)展至20世紀(jì)70年代，固體力學(xué)在研究方面相關(guān)人員逐漸將其重點(diǎn)放在結(jié)構(gòu)、固體力學(xué)兩點(diǎn)，在發(fā)展的同時(shí)也將其重點(diǎn)內(nèi)容轉(zhuǎn)變?yōu)榭諝鈩?dòng)力學(xué)以及流體力學(xué)兩個(gè)方面。發(fā)展至20世紀(jì)的80年代，固體力學(xué)又得到重視并不斷得以發(fā)展。固體力學(xué)在計(jì)算方面具有比較優(yōu)質(zhì)的防震性能，同時(shí)這一點(diǎn)也在我國(guó)的經(jīng)濟(jì)建設(shè)中得以廣泛的應(yīng)用。固體力學(xué)在發(fā)展上具有較為輝煌的成就，為此也可以發(fā)現(xiàn)固體力學(xué)擁有比較廣泛的發(fā)展前景。固體力學(xué)在航空航天工程中的應(yīng)用也較為普遍，同時(shí)隨著近年來(lái)航空航天行業(yè)發(fā)展的普遍化，其工程質(zhì)量也逐漸成為人們關(guān)注的重點(diǎn)。為此，本文針對(duì)固體力學(xué)，對(duì)其在航空航天工程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，同時(shí)也提出了固體力學(xué)的發(fā)展前景。

表1　

一、固體力學(xué)的發(fā)展前景

受社會(huì)發(fā)展的影響，自然科學(xué)與工程技術(shù)逐漸成為固體力學(xué)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，從其研究對(duì)象的角度進(jìn)行分析，其對(duì)象在均勻介質(zhì)逐漸擴(kuò)展變成非均勻介質(zhì)，由單相逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎嘞?。從研究背景的角度進(jìn)行分析，逐漸由簡(jiǎn)單的環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)橐曰瘜W(xué)和電磁為基礎(chǔ)的環(huán)境。從研究層次的角度進(jìn)行分析，在層次的變化上逐漸由宏觀(guān)轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒂^(guān)和細(xì)觀(guān)，并且能夠?qū)崿F(xiàn)三者相結(jié)合，以此形成細(xì)觀(guān)力學(xué)。和層次細(xì)化進(jìn)行對(duì)應(yīng)的形態(tài)為空間尺度和時(shí)間尺度在粗化上的轉(zhuǎn)變，對(duì)地球與地殼板塊的運(yùn)動(dòng)、斷裂進(jìn)行了分析，以此對(duì)星際撞擊破損進(jìn)行測(cè)評(píng)。在固體力學(xué)的研究上，對(duì)于研究過(guò)程的改變已經(jīng)逐漸由古典固體力學(xué)中的強(qiáng)度條件，擴(kuò)展成為固體連續(xù)變形到宏觀(guān)裂紋擴(kuò)展破損，在此基礎(chǔ)上不斷將其深化，成為對(duì)固體變形、破損過(guò)程進(jìn)行研究的過(guò)程。當(dāng)然，在對(duì)其進(jìn)行研究的同時(shí)，研究的形態(tài)并不局限于當(dāng)前，可以將其引申至材料構(gòu)成、元件制造的過(guò)程中。對(duì)于研究的目標(biāo)除了現(xiàn)有的相關(guān)材料之外，也要在力學(xué)特性與特種功能的要求下，結(jié)合尺度的要求對(duì)所需材料進(jìn)行設(shè)計(jì)。以上所訴內(nèi)容的擴(kuò)展，可以推動(dòng)現(xiàn)如今的固體力學(xué)得以不斷地發(fā)展，并且已經(jīng)突破古典線(xiàn)性固體力學(xué)的內(nèi)容，體現(xiàn)高度、非線(xiàn)性的特性。為了推動(dòng)固體力學(xué)的長(zhǎng)久發(fā)展，務(wù)必要與非線(xiàn)性科學(xué)進(jìn)行結(jié)合，以此為基礎(chǔ)促進(jìn)非線(xiàn)性科學(xué)的不斷發(fā)展。固體力學(xué)擴(kuò)展研究對(duì)象、層次、過(guò)程以及歷史的過(guò)程中，相關(guān)研究人員要與計(jì)算機(jī)以及計(jì)算力學(xué)的發(fā)展進(jìn)行結(jié)合，并且基于物理學(xué)在宏觀(guān)、微觀(guān)的力學(xué)行為，以此促進(jìn)固體力學(xué)的不斷發(fā)展。

二、固體力學(xué)現(xiàn)階段發(fā)展存在的問(wèn)題

所謂固體力學(xué)主要是針對(duì)固態(tài)物質(zhì)與結(jié)構(gòu)的受力狀況，在受力的同時(shí)所產(chǎn)生形變、破壞的研究學(xué)科，固態(tài)物質(zhì)與結(jié)構(gòu)本身的多樣化特點(diǎn)，會(huì)對(duì)受力之后的影響帶來(lái)提供比較豐富的表現(xiàn)形式，例如彈性、斷裂、蠕變等。在工程問(wèn)題的角度，一般是指固體力學(xué)在研究對(duì)象化方面的實(shí)際案例。固體力學(xué)在其發(fā)展的過(guò)程中所創(chuàng)造的輝煌成就，也為其在航空航天工程中的運(yùn)用提供了一定的支持，然而在實(shí)際的應(yīng)用中仍然存在一些問(wèn)題，在航空航天工程的應(yīng)用中，對(duì)于材料的強(qiáng)度以及現(xiàn)行理論強(qiáng)度之間存在一定的差異性，然而這個(gè)理論也是建立位錯(cuò)、裂紋的重要內(nèi)容。但是固體力學(xué)在航空航天工程中的應(yīng)用中，該矛盾一直存在，現(xiàn)如今固體力學(xué)除了在應(yīng)力與微小應(yīng)變方面存在限制之外，在變形局部化以及斷裂的判斷方面也存在一定的限制。

三、固體力學(xué)在航空航天工程中的運(yùn)用

理論的來(lái)源于實(shí)踐，其中也包括固體力學(xué)，固體力學(xué)相關(guān)理論的發(fā)展主要起源于在研究以及經(jīng)濟(jì)建設(shè)應(yīng)用的過(guò)程中獲取的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)對(duì)固體力學(xué)的應(yīng)用可以對(duì)事物的本質(zhì)進(jìn)行探究，并且分析其中存在的聯(lián)系，激發(fā)設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)作靈感，提升航空航天工程的質(zhì)量，極大地縮短了設(shè)計(jì)的時(shí)間，并且減少了資金的投入，減少設(shè)計(jì)成本，與此同時(shí)固體力學(xué)的運(yùn)用也加工航空航天工程中的一些較為繁瑣的問(wèn)題進(jìn)行解決。為了能夠保證相關(guān)理論發(fā)展的有效性，本文針對(duì)固體力學(xué)在航空航天工程中的運(yùn)用進(jìn)行了分析。

（一）應(yīng)用于工程力學(xué)問(wèn)題解析

固體力學(xué)在工程力學(xué)問(wèn)題的解析，主要可以體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面，航空航天器以及較為大型的空間柔性構(gòu)造探討，在分析時(shí)期規(guī)模最多可達(dá)到數(shù)萬(wàn)個(gè)結(jié)點(diǎn)、以及十萬(wàn)左右的自由度。其中飛行器碰撞的相關(guān)問(wèn)題、設(shè)計(jì)研究裝甲、載人飛船在著落時(shí)的發(fā)生的碰撞、油箱晃動(dòng)造成的耦合現(xiàn)象、航空醫(yī)學(xué)相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)等。

（二）應(yīng)用于航空航天工程相關(guān)數(shù)值的檢驗(yàn)

（1）利用數(shù)字計(jì)算機(jī)中的相關(guān)數(shù)值對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，在檢驗(yàn)時(shí)其主要對(duì)象主要包含了以下幾點(diǎn)：即常規(guī)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)、研究性實(shí)驗(yàn)。

（2）利用活化響應(yīng)的相關(guān)圖像對(duì)實(shí)驗(yàn)時(shí)所處環(huán)境響應(yīng)進(jìn)行模擬，其中活化響應(yīng)圖像一般通過(guò)計(jì)算獲取。

將固體力學(xué)應(yīng)用于航空航天工程相關(guān)數(shù)值的檢驗(yàn)，可以為其檢驗(yàn)的過(guò)程帶來(lái)一定的優(yōu)勢(shì)。一方面，減少實(shí)驗(yàn)所需資金費(fèi)用，縮短實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，在實(shí)驗(yàn)的過(guò)程中所處環(huán)境，縱然是真實(shí)環(huán)境下很難實(shí)現(xiàn)，可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)得以實(shí)現(xiàn)。一般情況下，比較大型的空間天線(xiàn)以及太陽(yáng)能電池版等，因?yàn)槠浔旧淼某叽绫容^大，自身的重量比較輕，為此如果要在實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上復(fù)現(xiàn)空間、溫度環(huán)境以及失重狀態(tài)，那么是具有一定難度的，同時(shí)在實(shí)驗(yàn)結(jié)果上也存在一定的不確定性，然而固體力學(xué)的應(yīng)用可以運(yùn)用計(jì)算機(jī)技術(shù)將空間進(jìn)行復(fù)現(xiàn)，并且實(shí)現(xiàn)對(duì)微觀(guān)構(gòu)造力學(xué)過(guò)程的模擬，在實(shí)驗(yàn)所需時(shí)間上與前者相較花費(fèi)較少。除此之外，應(yīng)用于數(shù)值的實(shí)驗(yàn)，也能夠?qū)υO(shè)計(jì)相關(guān)參數(shù)進(jìn)行了解。在飛機(jī)碰撞的問(wèn)題上，也可以利用數(shù)值實(shí)驗(yàn)的方式進(jìn)行解決，但是因?yàn)樵O(shè)計(jì)的時(shí)間比較長(zhǎng)，所以可以運(yùn)用數(shù)值仿真的形式進(jìn)行替代。

（三）應(yīng)用于反問(wèn)題

航空航天工程的實(shí)踐過(guò)程中，人們對(duì)于反問(wèn)題的分析要高于正問(wèn)題，為此，我們可以將特征問(wèn)題作為例子，如果結(jié)構(gòu)特征問(wèn)題控制公式如下：

在公式中，k為結(jié)構(gòu)剛度矩陣，M為幾何剛度矩陣，λ為特征問(wèn)題特征數(shù)值，而u為特征模態(tài)，在公式中，已經(jīng)確定K值與M值，求解λ、u，此問(wèn)題模式便是正問(wèn)題。相反，若確定λ值與u值，求解K與M結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，將實(shí)際λ（u）和預(yù)定值λ·（u·）相符合，那么這則是反問(wèn)題，反問(wèn)題的應(yīng)用在航空航天工程中已經(jīng)較為普遍。將特征問(wèn)題作為案例，后掠機(jī)翼中最低五階頻率是λi，i，=2、3、…6，通過(guò)反問(wèn)題的相關(guān)設(shè)計(jì)，以此可以得到計(jì)算與實(shí)驗(yàn)值，見(jiàn)表1。

（四）應(yīng)用于主動(dòng)控制技術(shù)

主動(dòng)控制技術(shù)具有一定的綜合性，其中包含了自動(dòng)控制、隨動(dòng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等理論?，F(xiàn)階段的航空航天工程中，主動(dòng)控制技術(shù)在其中可以作為地形跟隨、地形回避等為其提供作用。當(dāng)固體力學(xué)在其中進(jìn)行應(yīng)用時(shí)，其中包括對(duì)于物理問(wèn)題的研究，例如飛行力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)等，相關(guān)人員可以利用自動(dòng)控制技術(shù)對(duì)信息進(jìn)行挑選與分類(lèi)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的形式將其傳送至計(jì)算機(jī)，計(jì)算機(jī)在此基礎(chǔ)上對(duì)其進(jìn)行計(jì)算，以此明確所采取的方式方法，并且將其進(jìn)行反饋以及實(shí)施。固體力學(xué)在主動(dòng)控制技術(shù)的應(yīng)用中，除了對(duì)律和時(shí)間的延誤現(xiàn)象進(jìn)行控制，以此減小隨動(dòng)系統(tǒng)之外，對(duì)時(shí)間的準(zhǔn)確性進(jìn)行控制、以及理論的分析都具有十分重要的意義。

結(jié)語(yǔ)

綜上所述，現(xiàn)階段，受社會(huì)發(fā)展的影響，航空航天行業(yè)得到了十分顯著的發(fā)展，同時(shí)固體力學(xué)作為力學(xué)領(lǐng)域內(nèi)發(fā)展比較早的學(xué)科概念，其應(yīng)用范圍也比較普遍，尤其是在航空航天工程中的應(yīng)用。本文針對(duì)固體力學(xué)，首先對(duì)其發(fā)展前景進(jìn)行了分析，隨后針對(duì)固體力學(xué)，從工程力學(xué)問(wèn)題解析、航空航天工程相關(guān)數(shù)值的檢驗(yàn)、反問(wèn)題、主動(dòng)控制技術(shù)4個(gè)方面對(duì)其在航空航天工程中的應(yīng)用進(jìn)行了闡述，以此不斷推動(dòng)固體力學(xué)的發(fā)展。

［1］龔堯南.計(jì)算固體力學(xué)的發(fā)展及其在航空航天工程中的應(yīng)用［J］.計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)及其應(yīng)用，2015（2）：199-209+218.

［2］孫恒.淺析力學(xué)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.軍民兩用技術(shù)與產(chǎn)品，2015（5）：256-258.

［3］吳良義.先進(jìn)復(fù)合材料的應(yīng)用擴(kuò)展：航空、航天和民用航空先進(jìn)復(fù)合材料應(yīng)用技術(shù)和市場(chǎng)預(yù)測(cè)［J］.化工新型材料，2016（1）：4-9+91.

［4］朱晉生，王卓，歐峰.先進(jìn)復(fù)合材料在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用［J］.新技術(shù)新工藝，2016（10）：76-79.

［5］莊茁，王向東，張朝暉，等.力學(xué)在飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與發(fā)展［J］.工程力學(xué)，2015（S2）：1-7.

TH741

A