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    航天工程中固體力學的運用和發展

    時間:2018-07-27 來源:中國新技術新產品 作者:盧萍,孫凡,郝穎 本文字數:3248字

      摘要:固體力學是力學中形成比較早的思想,同時在應用方面也比較廣泛,不僅在水利工程中被廣泛應用,同時在航空航天工程中也被廣泛地應用。本文圍繞固體力學在航空航天工程中的運用,分析了其具體的應用手段,同時也對其發展提出了幾點建議。

      關鍵詞:固體力學; 發展; 航空航天工程;

    航天工程

      固體力學最早形成于20世紀的50年代,作為力學中的一項新學科,在計算機技術的發展基礎上,逐漸得以形成和發展,與此同時基于有限元法的理念,在現代逐漸得以迅速地發展。隨后發展至20世紀70年代,固體力學在研究方面相關人員逐漸將其重點放在結構、固體力學兩點,在發展的同時也將其重點內容轉變為空氣動力學以及流體力學兩個方面。發展至20世紀的80年代,固體力學又得到重視并不斷得以發展。固體力學在計算方面具有比較優質的防震性能,同時這一點也在我國的經濟建設中得以廣泛的應用。固體力學在發展上具有較為輝煌的成就,為此也可以發現固體力學擁有比較廣泛的發展前景。固體力學在航空航天工程中的應用也較為普遍,同時隨著近年來航空航天行業發展的普遍化,其工程質量也逐漸成為人們關注的重點。為此,本文針對固體力學,對其在航空航天工程中的應用進行了分析,同時也提出了固體力學的發展前景。

      一、固體力學的發展前景

      受社會發展的影響,自然科學與工程技術逐漸成為固體力學發展的重要基礎,從其研究對象的角度進行分析,其對象在均勻介質逐漸擴展變成非均勻介質,由單相逐漸轉變為多相。從研究背景的角度進行分析,逐漸由簡單的環境轉變為以化學和電磁為基礎的環境。從研究層次的角度進行分析,在層次的變化上逐漸由宏觀轉變為微觀和細觀,并且能夠實現三者相結合,以此形成細觀力學。和層次細化進行對應的形態為空間尺度和時間尺度在粗化上的轉變,對地球與地殼板塊的運動、斷裂進行了分析,以此對星際撞擊破損進行測評。在固體力學的研究上,對于研究過程的改變已經逐漸由古典固體力學中的強度條件,擴展成為固體連續變形到宏觀裂紋擴展破損,在此基礎上不斷將其深化,成為對固體變形、破損過程進行研究的過程。當然,在對其進行研究的同時,研究的形態并不局限于當前,可以將其引申至材料構成、元件制造的過程中。對于研究的目標除了現有的相關材料之外,也要在力學特性與特種功能的要求下,結合尺度的要求對所需材料進行設計。以上所訴內容的擴展,可以推動現如今的固體力學得以不斷地發展,并且已經突破古典線性固體力學的內容,體現高度、非線性的特性。為了推動固體力學的長久發展,務必要與非線性科學進行結合,以此為基礎促進非線性科學的不斷發展。固體力學擴展研究對象、層次、過程以及歷史的過程中,相關研究人員要與計算機以及計算力學的發展進行結合,并且基于物理學在宏觀、微觀的力學行為,以此促進固體力學的不斷發展。

      表1

      二、固體力學現階段發展存在的問題

      所謂固體力學主要是針對固態物質與結構的受力狀況,在受力的同時所產生形變、破壞的研究學科,固態物質與結構本身的多樣化特點,會對受力之后的影響帶來提供比較豐富的表現形式,例如彈性、斷裂、蠕變等。在工程問題的角度,一般是指固體力學在研究對象化方面的實際案例。固體力學在其發展的過程中所創造的輝煌成就,也為其在航空航天工程中的運用提供了一定的支持,然而在實際的應用中仍然存在一些問題,在航空航天工程的應用中,對于材料的強度以及現行理論強度之間存在一定的差異性,然而這個理論也是建立位錯、裂紋的重要內容。但是固體力學在航空航天工程中的應用中,該矛盾一直存在,現如今固體力學除了在應力與微小應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、固體力學在航空航天工程中的運用

      理論的來源于實踐,其中也包括固體力學,固體力學相關理論的發展主要起源于在研究以及經濟建設應用的過程中獲取的經濟效益。通過對固體力學的應用可以對事物的本質進行探究,并且分析其中存在的聯系,激發設計人員的創作靈感,提升航空航天工程的質量,極大地縮短了設計的時間,并且減少了資金的投入,減少設計成本,與此同時固體力學的運用也加工航空航天工程中的一些較為繁瑣的問題進行解決。為了能夠保證相關理論發展的有效性,本文針對固體力學在航空航天工程中的運用進行了分析。

      (一)應用于工程力學問題解析

      固體力學在工程力學問題的解析,主要可以體現在以下幾個方面,航空航天器以及較為大型的空間柔性構造探討,在分析時期規模最多可達到數萬個結點、以及十萬左右的自由度。其中飛行器碰撞的相關問題、設計研究裝甲、載人飛船在著落時的發生的碰撞、油箱晃動造成的耦合現象、航空醫學相關設備設計等。

      (二)應用于航空航天工程相關數值的檢驗

      (1)利用數字計算機中的相關數值對其進行檢驗,在檢驗時其主要對象主要包含了以下幾點:即常規驗證性實驗、研究性實驗。

      (2)利用活化響應的相關圖像對實驗時所處環境響應進行模擬,其中活化響應圖像一般通過計算獲取。

      將固體力學應用于航空航天工程相關數值的檢驗,可以為其檢驗的過程帶來一定的優勢。一方面,減少實驗所需資金費用,縮短實驗的時間,在實驗的過程中所處環境,縱然是真實環境下很難實現,可以運用計算機技術得以實現。一般情況下,比較大型的空間天線以及太陽能電池版等,因為其本身的尺寸比較大,自身的重量比較輕,為此如果要在實驗基礎上復現空間、溫度環境以及失重狀態,那么是具有一定難度的,同時在實驗結果上也存在一定的不確定性,然而固體力學的應用可以運用計算機技術將空間進行復現,并且實現對微觀構造力學過程的模擬,在實驗所需時間上與前者相較花費較少。除此之外,應用于數值的實驗,也能夠對設計相關參數進行了解。在飛機碰撞的問題上,也可以利用數值實驗的方式進行解決,但是因為設計的時間比較長,所以可以運用數值仿真的形式進行替代。

      (三)應用于反問題

      航空航天工程的實踐過程中,人們對于反問題的分析要高于正問題,為此,我們可以將特征問題作為例子,如果結構特征問題控制公式如下:

      在公式中,k為結構剛度矩陣,M為幾何剛度矩陣,λ為特征問題特征數值,而u為特征模態,在公式中,已經確定K值與M值,求解λ、u,此問題模式便是正問題。相反,若確定λ值與u值,求解K與M結構設計,將實際λ(u)和預定值λ·(u·)相符合,那么這則是反問題,反問題的應用在航空航天工程中已經較為普遍。將特征問題作為案例,后掠機翼中最低五階頻率是λi,i,=2、3、…6,通過反問題的相關設計,以此可以得到計算與實驗值,見表1。

      (四)應用于主動控制技術

      主動控制技術具有一定的綜合性,其中包含了自動控制、隨動系統設計等理論。現階段的航空航天工程中,主動控制技術在其中可以作為地形跟隨、地形回避等為其提供作用。當固體力學在其中進行應用時,其中包括對于物理問題的研究,例如飛行力學、結構力學等,相關人員可以利用自動控制技術對信息進行挑選與分類,通過網絡的形式將其傳送至計算機,計算機在此基礎上對其進行計算,以此明確所采取的方式方法,并且將其進行反饋以及實施。固體力學在主動控制技術的應用中,除了對律和時間的延誤現象進行控制,以此減小隨動系統之外,對時間的準確性進行控制、以及理論的分析都具有十分重要的意義。

      結語

      綜上所述,現階段,受社會發展的影響,航空航天行業得到了十分顯著的發展,同時固體力學作為力學領域內發展比較早的學科概念,其應用范圍也比較普遍,尤其是在航空航天工程中的應用。本文針對固體力學,首先對其發展前景進行了分析,隨后針對固體力學,從工程力學問題解析、航空航天工程相關數值的檢驗、反問題、主動控制技術4個方面對其在航空航天工程中的應用進行了闡述,以此不斷推動固體力學的發展。

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