結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法及其在航空航天工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

馬帥斌

【摘 要】在航空航天領(lǐng)域，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法是十分重要的一環(huán)，航空航天的飛行器在天空中受到很多物理因素的限制，需要在飛行器設(shè)計(jì)過程中力求做到造價(jià)更低、質(zhì)量更小以及抗壓能力更強(qiáng)等目標(biāo)。結(jié)構(gòu)優(yōu)化概念在1900年左右就已經(jīng)由英格蘭著名物理學(xué)家J.C.麥克斯韋進(jìn)行過初步的探索研究。在那個(gè)時(shí)代結(jié)構(gòu)優(yōu)化的概念只能在理論上找到一定的存在意義，然而并不能在成果上得到體現(xiàn)。而到了1940年左右“同步極限”理論在航空航天工程設(shè)計(jì)中被提出?！巴綐O限”理論就是讓組件的設(shè)計(jì)能達(dá)到最極限，讓其在航天過程中實(shí)際受到作用力后依然能保證各部位均能為最大值狀態(tài)。

【關(guān)鍵詞】航空航天；結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法；工程設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)： V221 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）30-0026-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.30.009

Structural optimization method and its application in aerospace engineering design

MA Shuai-bin

（Shandong laiwu no. 1 middle school， Laiwu Shandong 271100，China）

【Abstract】In the aerospace industry， structural optimization methods are a very important part. Aerospace vehicles are limited by many physical factors in the sky. They need to strive for lower cost， lower quality and more pressure resistance in the aircraft design process. Strong and other goals. The concept of structural optimization was studied by the famous English physicist J.C. Maxwell in 1900. In that era， the concept of structural optimization can only find a certain existence in theory， but it cannot be reflected in the results. By the 1940s， the "synchronous limit" theory was proposed in aerospace engineering design. The "synchronization limit" theory is to make the design of the component reach the limit， so that it can still ensure the maximum state of each part after it is actually subjected to the force in the aerospace process.

【Key words】Aerospace； Structural optimization method； Engineering design

隨著我國(guó)的航天航空技術(shù)日益提高，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在其中發(fā)揮了重要的作用。結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法作為一種新興的科技前沿理論，在我國(guó)的航天航空事業(yè)中做出了重大的貢獻(xiàn)。隨著越來越的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工程項(xiàng)目不斷在航空航天領(lǐng)域取得出色成績(jī)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在航空航天科技領(lǐng)域內(nèi)也獲得了更高的承認(rèn)與推廣。我國(guó)也在航空航天領(lǐng)域取得了重大的成就，然而科技依然在不斷創(chuàng)新，我國(guó)航空航天事業(yè)對(duì)各種部件的物理性質(zhì)需求逐漸增加。如今我國(guó)的航空產(chǎn)業(yè)正需要一種新型技術(shù)來為產(chǎn)業(yè)開辟新方向，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法為如今的中國(guó)航空產(chǎn)業(yè)指明了新的道路。然而結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在我國(guó)航空產(chǎn)業(yè)中依然更偏向于零部件設(shè)計(jì)，其實(shí)在服務(wù)業(yè)以及航天航空信息網(wǎng)絡(luò)中也會(huì)用到結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。接下來，我們將會(huì)詳細(xì)解析節(jié)后優(yōu)化方法在航空航天工程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

1 航空航天產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)分析

我國(guó)的普通制造業(yè)已經(jīng)無(wú)法滿足日益提高的航空航天科技需求了，所以結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法逐漸在該領(lǐng)域嶄露頭角。航空制造業(yè)往往需要很多頂尖科技產(chǎn)業(yè)共同參與才能研發(fā)新型產(chǎn)品，在如今這日益增長(zhǎng)的需求之下，我國(guó)的航空航天部門開始探究結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在未來生產(chǎn)設(shè)計(jì)上的可行性。

當(dāng)今時(shí)代十分注重信息與數(shù)據(jù)的處理，結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在信息與數(shù)據(jù)處理方面有著得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)，并且在航天產(chǎn)業(yè)中的新產(chǎn)品研發(fā)時(shí)，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法設(shè)計(jì)出的新產(chǎn)品在技術(shù)性和學(xué)術(shù)性上更為先進(jìn)和科學(xué)。同時(shí)生產(chǎn)技術(shù)相關(guān)的科研人員能夠?qū)ρ邪l(fā)出的新科技產(chǎn)品更有效率的進(jìn)行改進(jìn)。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的幫助下，對(duì)航空航天產(chǎn)業(yè)的科研成果在效能、構(gòu)造和效能方面得到更新，設(shè)計(jì)出更加符合低消耗、高效率產(chǎn)業(yè)目標(biāo)的科研產(chǎn)品。對(duì)當(dāng)今航天航空產(chǎn)業(yè)進(jìn)行新的產(chǎn)業(yè)改革。

2 航空航天工程設(shè)計(jì)中機(jī)械部件的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

隨著我國(guó)科技水平的飛速發(fā)展結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在航天航空領(lǐng)域最先被應(yīng)用于機(jī)械部件的設(shè)計(jì)，尤其在發(fā)動(dòng)機(jī)、機(jī)翼動(dòng)機(jī)的功率大小，故障率的高低都對(duì)飛機(jī)的穩(wěn)定性有著很大的影響，而眾所周知發(fā)動(dòng)機(jī)的核心部件之一是渦輪盤，航天器在飛行工作的過程中，發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)部往往有著很高的溫度，超高的溫度使得發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的環(huán)境十分的糟糕，而渦輪盤是飛行器發(fā)動(dòng)機(jī)中重要的壓力承受部件。在這樣糟糕的內(nèi)部環(huán)境中，渦輪盤同時(shí)在高速旋轉(zhuǎn)，這時(shí)由于普遍把渦輪盤的輪箍進(jìn)行加寬設(shè)計(jì)，導(dǎo)致其受力十分不均。在發(fā)動(dòng)機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的時(shí)候?yàn)榱藴p小這種受力不均的現(xiàn)象，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)該產(chǎn)業(yè)進(jìn)行產(chǎn)業(yè)優(yōu)化，對(duì)渦輪盤的設(shè)計(jì)進(jìn)行更新?lián)Q代，大大減小了發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的負(fù)荷。

在航天飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)上還有另一樣不可或缺的關(guān)鍵部件，我們稱之為安裝節(jié)，它是飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)十分重要的一個(gè)部件，在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)工作的時(shí)候?qū)⑼苿?dòng)飛機(jī)前進(jìn)的推力以及壓力負(fù)荷傳到飛行器上，這一部件一旦在發(fā)動(dòng)機(jī)工作期間失靈將會(huì)發(fā)生不可挽回的損失，比如飛行器的發(fā)動(dòng)機(jī)從飛行器上脫落，危害人類生命安全。所以科研人員對(duì)飛機(jī)安裝節(jié)進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化。一般來說，我們需要從強(qiáng)度大小來入手改進(jìn)，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)讓安裝節(jié)內(nèi)真正受力的部分壓力得到分散，或者改進(jìn)其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)讓其可以承載更大的壓強(qiáng)。同時(shí)，我們應(yīng)該延長(zhǎng)其壽命并且讓其事故率盡可能的降低。在科研人員完成了對(duì)其受力分?jǐn)偟慕Y(jié)構(gòu)優(yōu)化之后，還對(duì)其在高工作壓強(qiáng)下的壽命進(jìn)行了試驗(yàn)探索。改進(jìn)之前該結(jié)構(gòu)在70kN的負(fù)荷之下僅僅14480次工作循環(huán)之后部件上出現(xiàn)了裂縫，然而在結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)后的部件增加負(fù)荷到80kN之后，經(jīng)過了55500次工作循環(huán)依然沒有裂縫出現(xiàn)，這說明結(jié)構(gòu)優(yōu)化改進(jìn)對(duì)該部件的抗壓效果提升十分顯著。

3 航空航天工程設(shè)計(jì)中信息產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

信息技術(shù)在航空航天中是不可或缺的一項(xiàng)技術(shù)，該技術(shù)在最近幾年迅猛發(fā)展，并且在航空航天事業(yè)中扮演了重要角色。當(dāng)飛機(jī)飛離機(jī)場(chǎng)之后與地面的信息交換離不開電子信息技術(shù)，同時(shí)飛機(jī)在飛行過程中，機(jī)體內(nèi)部有著大大小小無(wú)數(shù)的電子元件，每一個(gè)電子元件都在飛機(jī)內(nèi)扮演了一定的角色，在飛機(jī)飛行過程中，各個(gè)電子元件相互配合，使得飛機(jī)可以平穩(wěn)的在天空中飛行?？蒲腥藛T在電子信息領(lǐng)域一直不斷地通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法對(duì)該領(lǐng)域進(jìn)行更新優(yōu)化，為了追求更低的污染，更大的附加產(chǎn)業(yè)價(jià)值以及更快的信息傳遞效率。由于我國(guó)航空航天領(lǐng)域的信息技術(shù)起步相對(duì)國(guó)外較晚，所以在很多核心科技方面一直被國(guó)外所限制，無(wú)法產(chǎn)生突破，科研人員往往也會(huì)在對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化的過程遇到瓶頸。但是近幾年經(jīng)過科研人員不斷地努力我們可以看到中國(guó)的航空航天信息領(lǐng)域到飛已經(jīng)得到飛速發(fā)展。

4 航空航天工程設(shè)計(jì)中服務(wù)業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法

空姐作為客機(jī)飛行過程中負(fù)責(zé)照顧旅客服務(wù)人員，盡心盡力的保證旅客在飛機(jī)內(nèi)能度過一個(gè)開心且舒適的時(shí)光，是航空航天服務(wù)業(yè)中的重要部分。空姐就如同一個(gè)航空航天公司的門面一樣，可以直接對(duì)旅客的旅途體驗(yàn)產(chǎn)生影響。

而空姐的著裝對(duì)乘客的第一印象有著很大的影響。比如在越南，他們國(guó)家的國(guó)服被稱為奧黛，同時(shí)也是越南航空產(chǎn)業(yè)中空姐的標(biāo)準(zhǔn)工作服，在2015年越南航空曾對(duì)空姐的制服進(jìn)行了一次大規(guī)模的統(tǒng)一結(jié)構(gòu)優(yōu)化。因?yàn)樵诋?dāng)時(shí)奧黛的工作服雖然十分美觀并且有著很鮮明的國(guó)家特色，但是在實(shí)際工作服務(wù)過程中并沒有那么舒適的工作體驗(yàn)，通過對(duì)當(dāng)?shù)睾娇展镜?50名空姐進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，專家注意到大部分空姐反映了奧黛衣領(lǐng)和袖口部分在工作過程中最為不變，所以在工作人員的認(rèn)真測(cè)量后，通過對(duì)衣服實(shí)際工作時(shí)狀態(tài)的實(shí)時(shí)分析，對(duì)兩個(gè)衣服的關(guān)鍵部位進(jìn)行了改進(jìn)，對(duì)袖口進(jìn)行了不同程度的縮短或改小?？蒲腥藛T將通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的工作服分發(fā)給了越南當(dāng)?shù)匾患液娇展镜目战氵M(jìn)行試用，得到了一致好評(píng)，并且在越南全國(guó)掀起了一場(chǎng)航空公司空姐工作服的一次大換血活動(dòng)。

5 總結(jié)

航空航天技術(shù)的發(fā)達(dá)與否是一個(gè)國(guó)家國(guó)力的綜合表現(xiàn)之一，在航空航天領(lǐng)域有著大量的先進(jìn)科研技術(shù)應(yīng)用，由于對(duì)航空產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法的不斷更新，航空領(lǐng)域的產(chǎn)品更新?lián)Q代速率也非常迅猛，在追逐世界一流科研成果的道路上不能遲疑。航空航天科技的更新關(guān)乎到一個(gè)國(guó)家的方方面面，大到國(guó)防力量小到日常民生，這些都離不開航空航天技術(shù)，對(duì)航空航天產(chǎn)業(yè)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化是當(dāng)今相關(guān)科研人員的重中之重，這對(duì)國(guó)家安全性與人民群眾的日常生活有著至關(guān)重要的作用。只要重視結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法在航空航天領(lǐng)域發(fā)揮的作用，就能讓我國(guó)能在航空航天領(lǐng)域越飛越高。

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