力學(xué)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展前景

馬千禧

摘 要：作為航空航天領(lǐng)域三大基礎(chǔ)學(xué)科之一，力學(xué)對(duì)航空航天事業(yè)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。目前，世界各國的航空航天技術(shù)發(fā)展日新月異，越來越多的復(fù)雜結(jié)構(gòu)層出不窮，給力學(xué)在航空航天領(lǐng)域的發(fā)展提出新挑戰(zhàn)：如何方便地求解越來越復(fù)雜的力學(xué)問題；如何將理論化程度高的力學(xué)轉(zhuǎn)化為工程適用的形式；隨著諸如先進(jìn)復(fù)合材料等非均質(zhì)材料的廣泛應(yīng)用，力學(xué)的發(fā)展怎樣服務(wù)非均質(zhì)材料工程問題；還有，在復(fù)雜的多物理場環(huán)境下，如何求出最優(yōu)解等。力學(xué)研究的細(xì)化能使其更好地服務(wù)于航空航天領(lǐng)域的特殊環(huán)境，本文將結(jié)合最近學(xué)術(shù)界研究前沿，對(duì)航空航天領(lǐng)域的力學(xué)特點(diǎn)進(jìn)行剖析，并指出其未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：計(jì)算力學(xué)；多物理場耦合；先進(jìn)復(fù)合材料；有限元技術(shù)（FEM）

中圖分類號(hào)：V211 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1671-2064（2017）12-0252-02

1 力學(xué)在航空航天領(lǐng)域的支柱地位

作為與材料科學(xué)、能源科學(xué)并肩的航空航天領(lǐng)域三大基礎(chǔ)學(xué)科之一，力學(xué)在航空航天領(lǐng)域擁有無可辯駁的支柱地位。航空航天技術(shù)的發(fā)展與力學(xué)學(xué)科的發(fā)展有著舉足輕重的關(guān)系。同樣，力學(xué)學(xué)科的發(fā)展也推動(dòng)了航空航天技術(shù)的發(fā)展。從航空航天的歷史開端，力學(xué)便扮演著開天辟地的角色：萊特兄弟發(fā)明飛機(jī)前的時(shí)代，人類的航空器長期停留在熱氣球與飛艇的水平，人們普遍認(rèn)為任何總密度比空氣重的航空器是無法上天的；而隨著流體力學(xué)的發(fā)展，越來越多總密度大于空氣的航空器被發(fā)明出來進(jìn)行試驗(yàn)，而萊特兄弟的飛機(jī)即為第一個(gè)成功的嘗試，萊特兄弟的風(fēng)洞也成為一個(gè)經(jīng)典（圖1）。從此，航空器的發(fā)展步入了快車道，各種結(jié)構(gòu)的飛機(jī)翱翔于藍(lán)天，從不到一噸的輕型飛機(jī)到上百噸的運(yùn)輸機(jī)，直至今天我們對(duì)于飛機(jī)已經(jīng)習(xí)以為常。

時(shí)至今日，航空航天的總體設(shè)計(jì)已由龐大的力學(xué)各分支支撐起來，從最基本的方面分類，可包括：飛行器整體氣動(dòng)外形歸屬于空氣動(dòng)力學(xué)；整體支承結(jié)構(gòu)歸屬于結(jié)構(gòu)力學(xué)以及材料力學(xué)；復(fù)合材料歸屬于復(fù)合材料力學(xué)；材料疲勞性能歸屬于疲勞分析；結(jié)構(gòu)動(dòng)力特性歸屬于振動(dòng)力學(xué)；缺陷結(jié)構(gòu)分析歸屬于損傷力學(xué)以及斷裂力學(xué)。而對(duì)于具體的問題細(xì)分，則還有如：針對(duì)超高速飛行器的高超空氣動(dòng)力學(xué)；針對(duì)紊流等大氣不穩(wěn)定情況的非定?？諝鈩?dòng)力學(xué)；針對(duì)流固耦合問題的氣動(dòng)彈性力學(xué)；以及針對(duì)非金屬材料的粘彈性力學(xué)等。此外，還有眾多與力學(xué)相關(guān)的技術(shù)被發(fā)展起來，如有限元技術(shù)（FEM）等。

展望未來，力學(xué)發(fā)展的源動(dòng)力在于航空航天綜合多學(xué)科的交叉與技術(shù)。被譽(yù)為“工業(yè)之花”的航空航天工業(yè)，其研發(fā)生產(chǎn)涵蓋了目前已知的所有工科門類，如此多的學(xué)科交叉下，力學(xué)的發(fā)展勢必會(huì)與其他學(xué)科進(jìn)行技術(shù)交流，這會(huì)帶來問題的進(jìn)一步復(fù)雜化，同時(shí)也豐富了力學(xué)的研究內(nèi)容。

2 航空航天領(lǐng)域力學(xué)發(fā)展新挑戰(zhàn)

航空航天的發(fā)展，給力學(xué)帶來了新的挑戰(zhàn)。結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜，給力學(xué)計(jì)算帶來困難；繁瑣的理論公式，需根據(jù)工程需要進(jìn)行必須的簡化；新材料的應(yīng)用在航空航天領(lǐng)域最為敏感，在為飛行器降低結(jié)構(gòu)重量的同時(shí)，也帶來諸多的不利因素如耐熱性能差、環(huán)境敏感度高等；而在某些關(guān)鍵部件的多物理場耦合問題也將成為重要的研究方向。

2.1 程序化

航空航天器和大型空間柔性結(jié)構(gòu)的分析規(guī)模往往高達(dá)數(shù)萬個(gè)結(jié)點(diǎn)、近十萬個(gè)自由度的計(jì)算量級(jí)，這些問題包括但不限于：飛行器的高速碰撞間題，如飛機(jī)的鳥撞， 墜撞，包容發(fā)動(dòng)機(jī)的葉片與機(jī)匣設(shè)計(jì)，裝甲的設(shè)計(jì)與分析，載人飛船在著陸或?yàn)R落時(shí)的撞擊等。為了解決這種計(jì)算量龐大的問題，上世紀(jì)50年代初，力學(xué)便發(fā)展出一門嶄新的分支學(xué)科——計(jì)算力學(xué)。伴隨著電子計(jì)算機(jī)以及有限元技術(shù)的發(fā)展，計(jì)算力學(xué)取得輝煌的成績，這也說明了其本身發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

力學(xué)分析技術(shù)的發(fā)展，特別是對(duì)于各種非線性問題（幾何非線性、材料非線性、接觸問題等）分析能力，是長期存在的。然而在很長一段時(shí)間內(nèi)，受到計(jì)算機(jī)能力的制約，以及模型建立本身的局限性，力學(xué)分析求解停留在解析方法和小規(guī)模數(shù)值算法中。這對(duì)于工程人員的設(shè)計(jì)工作是一個(gè)極大的限制，對(duì)于航空航天領(lǐng)域而言則尤甚如此。計(jì)算力學(xué)的發(fā)展，帶來的效益是巨大的。首先其可以用計(jì)算機(jī)數(shù)值模擬一些常規(guī)的驗(yàn)證性試驗(yàn)和小部分研究型試驗(yàn)，這可以節(jié)省很大一筆試驗(yàn)費(fèi)用。其次，其可以求解某些逆問題，逆問題的理論解往往無法通過非數(shù)值的手段得到。最后，從工程管理角度考慮，數(shù)值模擬方法大大節(jié)省了產(chǎn)品研發(fā)的周期，由此單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生了更多的經(jīng)濟(jì)收益。有限無技術(shù)分析機(jī)翼見圖2。

上述計(jì)算力學(xué)給工程設(shè)計(jì)方面帶來的種種好處，都基于一個(gè)很重要的前提。那就是力學(xué)問題程序化。如何將力學(xué)問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)計(jì)算機(jī)可以求解的程序，一直是計(jì)算力學(xué)研究的重點(diǎn)，比如有限元技術(shù)就是其中一個(gè)典型代表。目前，有限元技術(shù)已經(jīng)涵蓋了大部分力學(xué)問題，包括：靜力學(xué)求解，動(dòng)力學(xué)求解，各種非線性問題，以及多物理場耦合等。但值得注意的是，除了靜力學(xué)以及相對(duì)簡單的問題外，其余問題所用的算法目前精度仍然有限，相較于工程運(yùn)用而言仍存在諸多壁壘。對(duì)于這些問題算法的更新，是力學(xué)問題程序化必須面對(duì)的挑戰(zhàn)，仍需研究人員不斷探索。

2.2 工程化

力學(xué)工程化依然是基于計(jì)算力學(xué)而討論的。所不同的是，程序化是針對(duì)一項(xiàng)力學(xué)問題能不能解決，工程化關(guān)注的問題是如何使得力學(xué)問題的解決過程更符合工程需求。

21世紀(jì)的航空航天，已經(jīng)越來越趨向于商業(yè)化，美國已有數(shù)家私有航天企業(yè)成立，我國的航天科技集團(tuán)也在進(jìn)行著一些商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射。而商業(yè)化的工程問題，所追求的目標(biāo)永遠(yuǎn)是效益。因此，力學(xué)工程化發(fā)展也應(yīng)基于這一要求。航空航天工程的研發(fā)工作，一直給人周期長的印象，動(dòng)輒10年以上的研究周期，對(duì)于目前商業(yè)化的運(yùn)營是不適用的。如何快速的給出解決方案，是今后力學(xué)工程化的重要考量。隨著軟件技術(shù)的發(fā)展，越來越多的數(shù)值計(jì)算可以通過可視化、圖表化等快捷的交互式設(shè)計(jì)方法呈現(xiàn)出結(jié)果，這可以直觀地給予工程師設(shè)計(jì)反饋，從而達(dá)到加快設(shè)計(jì)進(jìn)程的目的。同時(shí)，直觀的結(jié)果反饋，也能避免數(shù)據(jù)分析過程出現(xiàn)人為失誤，起到規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)的作用。

2.3 非均質(zhì)化

新材料往往首先出現(xiàn)在航空航天領(lǐng)域，其中典型代表便是先進(jìn)復(fù)合材料。先進(jìn)復(fù)合材料具有高比強(qiáng)度、高比模量、耐腐蝕、耐疲勞、阻尼減震性好、破損安全性好以及性能可設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)。由于上述優(yōu)點(diǎn)，先進(jìn)復(fù)合材料繼鋁、鋼、鈦之后，迅速發(fā)展成四大結(jié)構(gòu)材料之一，其用量成為航空航天結(jié)構(gòu)的先進(jìn)性標(biāo)志之一。

復(fù)合材料的運(yùn)用給力學(xué)提出了新要求，相比于傳統(tǒng)各向同性的金屬材料，其各向異性的力學(xué)特性使得非均質(zhì)力學(xué)應(yīng)運(yùn)而生，代表便是復(fù)合材料力學(xué)的誕生。非均質(zhì)化力學(xué)需要將材料的承力主方向設(shè)計(jì)為結(jié)構(gòu)中的主承力方向，而非主承力方向則需要保證一定強(qiáng)度，不至于破壞，這是其主要的設(shè)計(jì)特點(diǎn)。相比各向同性材料，其理論模型更為復(fù)雜，相應(yīng)的數(shù)值求解方法也沒有那么完善。同時(shí)，實(shí)際中復(fù)合材料的性能分散性和環(huán)境依賴性相當(dāng)復(fù)雜， 設(shè)計(jì)準(zhǔn)則和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)值的確定還很保守，導(dǎo)致最終設(shè)計(jì)結(jié)果并沒有理論中那么完美，很大程度上制約了工程領(lǐng)域大規(guī)模使用復(fù)合材料。對(duì)于國內(nèi)而言，復(fù)合材料研究工作相比國外則更為落后，無論是設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)還是試驗(yàn)數(shù)據(jù)積累都有不小差距。

建立完備的非均質(zhì)化力學(xué)模型，積累足夠的原始參數(shù)，大膽嘗試提高復(fù)合材料的設(shè)計(jì)水平以及用量是今后力學(xué)非均質(zhì)化的主要任務(wù)，需要研究人員付出更多的努力。

2.4 多物理場耦合

2.4.1 電磁與力學(xué)耦合

新時(shí)代下的航空航天材料，已不僅僅局限于提供簡單的支承作用，功能化是航空航天器新材料發(fā)展的重點(diǎn)和熱點(diǎn)，其最終目的是為了未來航空航天器發(fā)展智能化目標(biāo)。

目前，越來越多的具有電-力耦合功能的新型材料正成為航空航天器結(jié)構(gòu)材料的選擇。因?yàn)樵趯?duì)飛行器的自我檢測技術(shù)方面，具有電-力耦合功能的材料的受力狀態(tài)與電磁性能存在特定的函數(shù)關(guān)系，由此系統(tǒng)能通過檢測電磁性能達(dá)到檢測受力狀態(tài)的效果，這大大方便了對(duì)飛行器的健康監(jiān)測，也有效保證了飛行器的安全。這其中耦合函數(shù)的準(zhǔn)確性便成為關(guān)鍵，電-力耦合的發(fā)展能促進(jìn)這些技術(shù)的健全，具有十分積極意義。

2.4.2 溫度與力學(xué)耦合

溫度場與力場的耦合主要體現(xiàn)在發(fā)動(dòng)機(jī)上，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部涵道的設(shè)計(jì)最優(yōu)化一直是熱力學(xué)著力解決的問題。

目前大部分飛機(jī)均采用噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)，包括：渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)、渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)以及渦槳發(fā)動(dòng)機(jī)。上世紀(jì)40年代末，渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)，飛機(jī)飛行速度第一次能超過音速，帶來了一場飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)革命。由此，包括進(jìn)氣道以及發(fā)動(dòng)機(jī)涵道的設(shè)計(jì)成為發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)的一個(gè)關(guān)鍵點(diǎn)，早期的渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)，由于涵道上的設(shè)計(jì)缺陷，導(dǎo)致燃料燃燒產(chǎn)生熱能轉(zhuǎn)化為推進(jìn)力的轉(zhuǎn)化比很低，同時(shí)伴隨著燃燒不充分，因此發(fā)動(dòng)機(jī)耗油量很高且推力較小。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，目前無論軍用還是民用飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)，大部分均采用渦扇發(fā)動(dòng)機(jī)，通過優(yōu)化得到的涵道形狀最大化了單位燃油所提供的推力。圖3為民用客機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)涵道。

我國的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工業(yè)水平距離世界領(lǐng)先水平仍有較大距離，特別是在大涵道比的商用發(fā)動(dòng)機(jī)研發(fā)上。發(fā)展熱力學(xué)，對(duì)熱-力耦合問題進(jìn)行更深入的研究，是發(fā)展我國飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)事業(yè)的奠基石。

2.4.3 流固耦合

流固耦合是飛行器研制最基本的問題之一。幾十年的發(fā)展歷程中，基于流固耦合研究的飛機(jī)外形設(shè)計(jì)取得了諸多進(jìn)展，包括整體機(jī)身外形的優(yōu)化，翼梢小翼的出現(xiàn)等。隨著飛機(jī)飛行速度的不斷提高，特別是軍用飛機(jī)機(jī)動(dòng)性的要求，出現(xiàn)了許許多多新的流固耦合問題。比如針對(duì)飛機(jī)在大攻角飛行時(shí)（一般出現(xiàn)在軍機(jī)上），傳統(tǒng)小攻角氣動(dòng)表示法、穩(wěn)定理論等均不再適用。因此，解決大攻角非定常問題，需要從飛行器運(yùn)動(dòng)以及流動(dòng)方程同時(shí)出發(fā)，建立多自由度分析和數(shù)值模擬模型。這是典型的流固耦合問題。

同時(shí)，以往舊的流固耦合理論，在先進(jìn)復(fù)合材料大量運(yùn)用的今天，顯然已經(jīng)不再使用。對(duì)舊有理論進(jìn)行必要的修正，也將成為流固耦合問題亟需完成的工作。

3 結(jié)語

當(dāng)前，國家大力發(fā)展航空航天事業(yè)，作為高精尖產(chǎn)業(yè)，其所運(yùn)用的理論與技術(shù)絕不能落后。力學(xué)作為一門古老而又應(yīng)用廣泛的學(xué)科，其對(duì)航空航天事業(yè)的發(fā)展起著舉足輕重的作用。為符合未來航空航天領(lǐng)域發(fā)展，航空航天領(lǐng)域的力學(xué)應(yīng)著力向著程序化、工程化、非均質(zhì)化、以及多物理場耦合化綜合發(fā)展。

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