“航空航天结构与力学”专栏(Ⅱ)导语

王 博,尤军峰

力学是宇航科学与技术领域工程发展的重要支撑学科。目前,世界各国均在竞相大力发展航空航天技术,火箭、导弹、卫星、超高速飞行器、航空飞行器等先进装备朝着超强承载、极端耐热耐振、超高精度、超轻量化和高可靠性等方向发展,这对航空航天力学提出了新的挑战。近年来,高性能材料、人工智能、数字孪生、增材制造等新兴技术应用也为航空航天装备研发注入了新的活力,航空航天结构与力学发展面临新的机遇。专栏(Ⅱ)聚焦于航空航天结构与力学,选录了8篇文章,内容涉及航空航天工程中的关键力学问题、复杂环境下的结构强度与轻量化设计、材料/结构/功能一体化设计、航空航天力学与其他学科交叉研究等,希望能够为研究人员设计出满足新型航空航天装备提供帮助。

北京星途探索科技有限公司王振兴等面向平推分离式整流罩的分离过程,针对支撑结构的结构尺寸及摩擦系数等因素开展了研究。基于应用有限元分析软件开展了系列分离特性分析。分析结果表明,有效的支撑结构对分离过程的安全性有着积极影响,且支撑结构直径越大安全性越高;摩擦系数对整流罩分离速度几乎没有影响,但降低摩擦系数有助于提高罩内载荷空间的安全性。

大连理工大学王法垚、马祥涛等面向高筋筒壳结构这一新型承载结构开展了优化设计及承载规律分析。采用基于代理模型的优化设计方法对传统构型及新型高筋筒壳结构分别开展了优化设计,进一步采用数据分析方法对针对高筋筒壳结构的承载效率剖析了结构参数分布规律。结果表明,相比于传统构型,高筋筒壳结构的承载效率具有显著优势;高筋筒壳结构主要失效模式为强度主导的局部弹塑性屈曲,其承载主体为纵向筋条,蒙皮次之,设计特征建议为“疏环筋、密纵筋”,并给出了结构参数的定量分布规律。

南京理工大学马虎、李靖等面向固体火箭发动机的纤维缠绕复合材料壳段结构提出了一种基于ANSYS ACP的分析方法并开展了强度分析。采用三次样条函数法计算了壳体的缠绕厚度,并基于插值表实现了考虑厚度及角度连续变化的数值模型建模;基于ANSYS ACP开展了纤维缠绕复合材料壳体的强度分析。分析结果表明,采用位移对称边界会在约束处造成局部区域的应力分布不均,所设计的发动机壳体基本满足在12 MPa内压下的强度要求,在18 MPa最小设计爆破压强下,过渡段是壳体的应力薄弱区域。

专栏(Ⅱ)刊发了两篇与材料/结构/功能一体化设计相关的文章。大连理工大学梁缘等面向超材料结构的刚度特性,利用序列近似整数规划和正则松弛算法实现了材料体积约束下体积模量最大化和剪切模量最大化两种结构性能目标的超材料结构设计,通过数值算例验证了方法的有效性,同时其结果表明基于所提方法的超材料结构设计能够有效避免灰度模糊问题。相比传统的SIMP方法,该方法得到的超材料设计构型清晰。王伟等面向超材料结构的声子晶体带隙性能和热膨胀性能,研究了一种三角晶格的弯曲主导型热膨胀点阵超材料的带隙特性,并利用非支配排序遗传算法针对该材料进行了带隙和热膨胀性能的多目标优化设计,讨论了数值算例的帕累托最优解集,数值算例表明对特定的正、负以及零热膨胀设计结构都具有较好的带隙特性。研究结果对超材料的多功能设计提供了一定的理论参考价值,特别是在航空航天领域中存在的温差和振动等严苛条件下对材料特定膨胀性质和带隙特性需求的双目标共赢提供了可能。

大连理工大学与中国航发沈阳发动机研究所王博、郝鹏、李玉韦等针对用于计算非比例阻尼结构谐响应的SOAR算法的计算效率和精度严重依赖于计算者经验的问题,提出利用交叉验证和二分法策略确定展开频点数和正交基阶数,自适应地建立在目标频段内具有更高计算精度的降阶模型,提高谐响应分析效率。通过阻尼涂层板和网格加筋筒壳数值算例验证了提出的自适应降阶策略的有效性。数值结果表明,自适应降阶模型预测结构动柔顺度相对误差最大值不超过10-7,相比模态叠加法和模态加速度法表现出更高的计算精度和效率。火箭军工程大学朱雪蒙等为研究碳纤维增强聚合物基复合材料(CFRP)在雷电流A分量下的损伤特性,对CFRP开展了标准化人工模拟试验,并建立了CFRP雷击损伤的电-热耦合模型。研究结果表明,CFRP在雷电流A分量下的损伤模式相同;复合材料各向异性热电属性影响雷击损伤的分区特性和热损伤形态;面内损伤变化趋势大于深度损伤。研究工作对深入探究复合材料雷击损伤机制和结构防雷设计具有理论指导意义。

西安航天动力技术研究所万诺等基于疲劳损伤理论,探究了不同应变幅值的载荷谱对柔性接头寿命的影响,通过对柔性接头弹性件和粘接界面的表征件开展疲劳摆动仿真计算、剪切疲劳试验,完成摆动寿命预估研究。结果表明,应变增加橡胶的疲劳寿命减小,并验证了所提出的有限元预估寿命方法的正确性。研究工作可进一步应用于多种载荷情况下柔性接头的寿命预估,节省试验成本,为柔性接头摆动寿命测试提供参考。

航空航天结构与力学涉及强度、振动、轻量化、多功能分析和试验等,涉及学科较多,国内有多个团队同步开展研究工作,此专栏刊发了小部分研究进展,这也仅仅是一个开始。编者真诚期望能够抛砖引玉,希望将来刊发更多的高水平研究成果,为相关领域内的学者提供一个快速交流的园地。敬请关注。