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航天工程中固体力学的运用和发展

时间:2018-07-27 来源:中国新技术新产品 作者:卢萍,孙凡,郝颖 本文字数:3248字

  摘要:固体力学是力学中形成比较早的思想,同时在应用方面也比较广泛,不仅在水利工程中被广泛应用,同时在航空航天工程中也被广泛地应用。本文围绕固体力学在航空航天工程中的运用,分析了其具体的应用手段,同时也对其发展提出了几点建议。

  关键词:固体力学; 发展; 航空航天工程;

航天工程

  固体力学最早形成于20世纪的50年代,作为力学中的一项新学科,在计算机技术的发展基础上,逐渐得以形成和发展,与此同时基于有限元法的理念,在现代逐渐得以迅速地发展。随后发展至20世纪70年代,固体力学在研究方面相关人员逐渐将其重点放在结构、固体力学两点,在发展的同时也将其重点内容转变为空气动力学以及流体力学两个方面。发展至20世纪的80年代,固体力学又得到重视并不断得以发展。固体力学在计算方面具有比较优质的防震性能,同时这一点也在我国的经济建设中得以广泛的应用。固体力学在发展上具有较为辉煌的成就,为此也可以发现固体力学拥有比较广泛的发展前景。固体力学在航空航天工程中的应用也较为普遍,同时随着近年来航空航天行业发展的普遍化,其工程质量也逐渐成为人们关注的重点。为此,本文针对固体力学,对其在航空航天工程中的应用进行了分析,同时也提出了固体力学的发展前景。

  一、固体力学的发展前景

  受社会发展的影响,自然科学与工程技术逐渐成为固体力学发展的重要基础,从其研究对象的角度进行分析,其对象在均匀介质逐渐扩展变成非均匀介质,由单相逐渐转变为多相。从研究背景的角度进行分析,逐渐由简单的环境转变为以化学和电磁为基础的环境。从研究层次的角度进行分析,在层次的变化上逐渐由宏观转变为微观和细观,并且能够实现三者相结合,以此形成细观力学。和层次细化进行对应的形态为空间尺度和时间尺度在粗化上的转变,对地球与地壳板块的运动、断裂进行了分析,以此对星际撞击破损进行测评。在固体力学的研究上,对于研究过程的改变已经逐渐由古典固体力学中的强度条件,扩展成为固体连续变形到宏观裂纹扩展破损,在此基础上不断将其深化,成为对固体变形、破损过程进行研究的过程。当然,在对其进行研究的同时,研究的形态并不局限于当前,可以将其引申至材料构成、元件制造的过程中。对于研究的目标除了现有的相关材料之外,也要在力学特性与特种功能的要求下,结合尺度的要求对所需材料进行设计。以上所诉内容的扩展,可以推动现如今的固体力学得以不断地发展,并且已经突破古典线性固体力学的内容,体现高度、非线性的特性。为了推动固体力学的长久发展,务必要与非线性科学进行结合,以此为基础促进非线性科学的不断发展。固体力学扩展研究对象、层次、过程以及历史的过程中,相关研究人员要与计算机以及计算力学的发展进行结合,并且基于物理学在宏观、微观的力学行为,以此促进固体力学的不断发展。

  表1

  二、固体力学现阶段发展存在的问题

  所谓固体力学主要是针对固态物质与结构的受力状况,在受力的同时所产生形变、破坏的研究学科,固态物质与结构本身的多样化特点,会对受力之后的影响带来提供比较丰富的表现形式,例如弹性、断裂、蠕变等。在工程问题的角度,一般是指固体力学在研究对象化方面的实际案例。固体力学在其发展的过程中所创造的辉煌成就,也为其在航空航天工程中的运用提供了一定的支持,然而在实际的应用中仍然存在一些问题,在航空航天工程的应用中,对于材料的强度以及现行理论强度之间存在一定的差异性,然而这个理论也是建立位错、裂纹的重要内容。但是固体力学在航空航天工程中的应用中,该矛盾一直存在,现如今固体力学除了在应力与微小应变方面存在限制之外,在变形局部化以及断裂的判断方面也存在一定的限制。

  三、固体力学在航空航天工程中的运用

  理论的来源于实践,其中也包括固体力学,固体力学相关理论的发展主要起源于在研究以及经济建设应用的过程中获取的经济效益。通过对固体力学的应用可以对事物的本质进行探究,并且分析其中存在的联系,激发设计人员的创作灵感,提升航空航天工程的质量,极大地缩短了设计的时间,并且减少了资金的投入,减少设计成本,与此同时固体力学的运用也加工航空航天工程中的一些较为繁琐的问题进行解决。为了能够保证相关理论发展的有效性,本文针对固体力学在航空航天工程中的运用进行了分析。

  (一)应用于工程力学问题解析

  固体力学在工程力学问题的解析,主要可以体现在以下几个方面,航空航天器以及较为大型的空间柔性构造探讨,在分析时期规模最多可达到数万个结点、以及十万左右的自由度。其中飞行器碰撞的相关问题、设计研究装甲、载人飞船在着落时的发生的碰撞、油箱晃动造成的耦合现象、航空医学相关设备设计等。

  (二)应用于航空航天工程相关数值的检验

  (1)利用数字计算机中的相关数值对其进行检验,在检验时其主要对象主要包含了以下几点:即常规验证性实验、研究性实验。

  (2)利用活化响应的相关图像对实验时所处环境响应进行模拟,其中活化响应图像一般通过计算获取。

  将固体力学应用于航空航天工程相关数值的检验,可以为其检验的过程带来一定的优势。一方面,减少实验所需资金费用,缩短实验的时间,在实验的过程中所处环境,纵然是真实环境下很难实现,可以运用计算机技术得以实现。一般情况下,比较大型的空间天线以及太阳能电池版等,因为其本身的尺寸比较大,自身的重量比较轻,为此如果要在实验基础上复现空间、温度环境以及失重状态,那么是具有一定难度的,同时在实验结果上也存在一定的不确定性,然而固体力学的应用可以运用计算机技术将空间进行复现,并且实现对微观构造力学过程的模拟,在实验所需时间上与前者相较花费较少。除此之外,应用于数值的实验,也能够对设计相关参数进行了解。在飞机碰撞的问题上,也可以利用数值实验的方式进行解决,但是因为设计的时间比较长,所以可以运用数值仿真的形式进行替代。

  (三)应用于反问题

  航空航天工程的实践过程中,人们对于反问题的分析要高于正问题,为此,我们可以将特征问题作为例子,如果结构特征问题控制公式如下:

  在公式中,k为结构刚度矩阵,M为几何刚度矩阵,λ为特征问题特征数值,而u为特征模态,在公式中,已经确定K值与M值,求解λ、u,此问题模式便是正问题。相反,若确定λ值与u值,求解K与M结构设计,将实际λ(u)和预定值λ·(u·)相符合,那么这则是反问题,反问题的应用在航空航天工程中已经较为普遍。将特征问题作为案例,后掠机翼中最低五阶频率是λi,i,=2、3、…6,通过反问题的相关设计,以此可以得到计算与实验值,见表1。

  (四)应用于主动控制技术

  主动控制技术具有一定的综合性,其中包含了自动控制、随动系统设计等理论。现阶段的航空航天工程中,主动控制技术在其中可以作为地形跟随、地形回避等为其提供作用。当固体力学在其中进行应用时,其中包括对于物理问题的研究,例如飞行力学、结构力学等,相关人员可以利用自动控制技术对信息进行挑选与分类,通过网络的形式将其传送至计算机,计算机在此基础上对其进行计算,以此明确所采取的方式方法,并且将其进行反馈以及实施。固体力学在主动控制技术的应用中,除了对律和时间的延误现象进行控制,以此减小随动系统之外,对时间的准确性进行控制、以及理论的分析都具有十分重要的意义。

  结语

  综上所述,现阶段,受社会发展的影响,航空航天行业得到了十分显著的发展,同时固体力学作为力学领域内发展比较早的学科概念,其应用范围也比较普遍,尤其是在航空航天工程中的应用。本文针对固体力学,首先对其发展前景进行了分析,随后针对固体力学,从工程力学问题解析、航空航天工程相关数值的检验、反问题、主动控制技术4个方面对其在航空航天工程中的应用进行了阐述,以此不断推动固体力学的发展。

  参考文献
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    [1]卢萍,孙凡,郝颖.固体力学的发展及其在航空航天工程中的运用解析[J].中国新技术新产品,2016(18):96-97.
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