探究固體力學(xué)的發(fā)展及其在航空航天工程中的運(yùn)用

王欣睿

摘要：在力學(xué)中固體力學(xué)屬于早期形成的思想，其在多個(gè)領(lǐng)域方面都得到了較好的運(yùn)用，其中運(yùn)用固體力學(xué)最多的就是水利工程，航空航天工程是其次?；诖?，本文針對(duì)固體力學(xué)在航空航天工程中的運(yùn)用展開了深入分析，首先提出了固體力學(xué)的發(fā)展趨勢(shì)，其次提出了目前固體力學(xué)運(yùn)用存在的問題，最后對(duì)固體力學(xué)在航空航天工程中的運(yùn)用展開了詳細(xì)分析，希望能夠以此更好的推動(dòng)固體力學(xué)的發(fā)展以及其在航空航天工程中的運(yùn)用。

關(guān)鍵詞：固體力學(xué);航空航天工程;發(fā)展運(yùn)用

根據(jù)可靠資料顯示，固體力學(xué)思想的形成時(shí)間最早可追溯到上世紀(jì)50年代，固體力學(xué)的形成是在計(jì)算機(jī)發(fā)展的基礎(chǔ)之上不斷的轉(zhuǎn)變而形成的思想，經(jīng)過(guò)不斷的發(fā)展調(diào)整，逐漸被人們所接受且廣泛應(yīng)用，可以說(shuō)固體力學(xué)推動(dòng)了多個(gè)領(lǐng)域的發(fā)展。固體力學(xué)發(fā)展至70年代時(shí)，人們逐漸將研究重點(diǎn)放在固體的結(jié)構(gòu)和力學(xué)上，而對(duì)空氣動(dòng)力學(xué)和流體動(dòng)力學(xué)的研究?jī)?nèi)容也逐漸受到人們重視。發(fā)展至80年代以后固體力學(xué)一直受到人們的重視并不斷發(fā)展，固體力學(xué)在計(jì)算方面具有較好的抗震性能，在我國(guó)經(jīng)濟(jì)建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用，固體力學(xué)在發(fā)展中取得了巨大的成就。因此，固體力學(xué)具有廣闊的發(fā)展前景，同時(shí)固體力學(xué)在航空航天工程領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛。隨著近年來(lái)航空航天工業(yè)的發(fā)展，工程質(zhì)量逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，因此本文對(duì)固體力學(xué)在航空航天工程中的應(yīng)用進(jìn)行了分析，并對(duì)固體力學(xué)的發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

一、固體力學(xué)的發(fā)展分析

（一）優(yōu)勢(shì)分析

在社會(huì)發(fā)展的影響下，自然科學(xué)和工程技術(shù)逐漸成為固體力學(xué)發(fā)展的重要基礎(chǔ)，立足于研究對(duì)象的角度，研究對(duì)象從均質(zhì)介質(zhì)逐漸擴(kuò)展到非均質(zhì)介質(zhì)，從單相逐漸過(guò)渡到多相，在研究背景下，環(huán)境從簡(jiǎn)單的化學(xué)環(huán)境轉(zhuǎn)變?yōu)殡姶怒h(huán)境，研究水平逐漸由宏觀向微觀、細(xì)觀轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)三者的有機(jī)結(jié)合形成了細(xì)觀力學(xué)。而在與層次細(xì)化形態(tài)相對(duì)應(yīng)的時(shí)間尺度、空間尺度在粗化模式下的轉(zhuǎn)變，分析了地球板塊和地殼的運(yùn)動(dòng)和破裂，以評(píng)估星際撞擊造成的損害，研究過(guò)程從固體的連續(xù)變形抗力條件逐漸擴(kuò)展到裂紋擴(kuò)展引起的宏觀損傷，在此基礎(chǔ)上，對(duì)固體的變化和損傷進(jìn)行了深入的研究。除了上述的研究之外，固體力學(xué)的研究形態(tài)不局限于此，研究的形態(tài)還可以延伸至材料的組成和零件的制造工藝，就研究目的而言，除了現(xiàn)有的相關(guān)材料外，所需材料應(yīng)根據(jù)特定的力學(xué)性能和功能要求，結(jié)合規(guī)模要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，上述內(nèi)容的擴(kuò)展可促進(jìn)固體力學(xué)的持續(xù)發(fā)展，打破傳統(tǒng)線性固體力學(xué)的內(nèi)容。體現(xiàn)了高非線性的特點(diǎn)，為了促進(jìn)固體力學(xué)的長(zhǎng)期發(fā)展，有必要與非線性科學(xué)相結(jié)合，促進(jìn)非線性科學(xué)的持續(xù)發(fā)展。從固體力學(xué)的發(fā)展歷程和發(fā)展歷程來(lái)看，有關(guān)學(xué)者應(yīng)結(jié)合計(jì)算機(jī)和計(jì)算力學(xué)的發(fā)展，在物理的宏觀力學(xué)和微觀力學(xué)行為的基礎(chǔ)上，促進(jìn)固體力學(xué)的不斷發(fā)展。

（二）劣勢(shì)分析

固體力學(xué)簡(jiǎn)而言之主要是針對(duì)固體材料和結(jié)構(gòu)的應(yīng)力狀態(tài)，以及其應(yīng)力時(shí)所產(chǎn)生的變形和損傷，固體材料和結(jié)構(gòu)本身的性質(zhì)對(duì)應(yīng)力之后的影響提供了多種表現(xiàn)形式，如斷裂、蠕變、彈性等。從工程問題的角度來(lái)看，這通常是固體力學(xué)的一個(gè)實(shí)踐案例。固體力學(xué)在發(fā)展過(guò)程中取得的輝煌成就也為其在航空航天工程中的應(yīng)用提供了一定的支持，但在實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些問題。通過(guò)固體力學(xué)在航空航天工程中的運(yùn)用我們可以發(fā)現(xiàn)，在工程中所運(yùn)用到的材料與現(xiàn)行理論強(qiáng)度之間存在著差異，該理論也是位錯(cuò)理論的基礎(chǔ)、裂紋理論的重要組成部分。但是固體力學(xué)在航空航天工程中的運(yùn)用，這種矛盾由來(lái)已久，目前，除了應(yīng)力和微小應(yīng)變外，固體力學(xué)在判斷變形和破壞的局部化方面也有一定的局限性。

二、固體力學(xué)在航空航天工程中的運(yùn)用分析

理論來(lái)源于實(shí)踐適合各個(gè)思想的發(fā)展，固體力學(xué)當(dāng)然也無(wú)外乎，固體力學(xué)理論的發(fā)展主要來(lái)源于經(jīng)濟(jì)建設(shè)的研究和應(yīng)用所帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)效益。通過(guò)固體力學(xué)的應(yīng)用，可以深入了解事物的本質(zhì)，還可以激勵(lì)設(shè)計(jì)師創(chuàng)新，提高航空航天工程質(zhì)量，大大減少其在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)耗費(fèi)的時(shí)間，相應(yīng)的也就減少了資金投入降低設(shè)計(jì)成本，同時(shí)，固體力學(xué)的應(yīng)用也可以解決航空航天工程中的一些復(fù)雜問題。為了說(shuō)明實(shí)踐如何促進(jìn)理論的發(fā)展，以及所發(fā)展的理論如何在指導(dǎo)和促進(jìn)人類實(shí)踐活動(dòng)方面發(fā)揮重要作用，首先，本文介紹了計(jì)算力學(xué)在航空航天工業(yè)中的一些最活躍的應(yīng)用領(lǐng)域，通過(guò)應(yīng)用領(lǐng)域的分析更為深入的認(rèn)識(shí)固體力學(xué)。

（一）主動(dòng)控制技術(shù)應(yīng)用分析

主動(dòng)控制技術(shù)是一門綜合性的技術(shù)，包括自動(dòng)控制論和隨動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，在當(dāng)前的航天工程中，主動(dòng)控制技術(shù)可以應(yīng)用于地形回避、地形跟蹤等工作。固體力學(xué)在主動(dòng)控制技術(shù)中的應(yīng)用，包括飛行力學(xué)、結(jié)構(gòu)力學(xué)和其他物理問題的研究，相關(guān)人員使用自動(dòng)控制技術(shù)選擇和分類信息，并將其以網(wǎng)絡(luò)形式傳輸?shù)接?jì)算機(jī)。在此基礎(chǔ)上，由計(jì)算機(jī)進(jìn)行計(jì)算，在固體力學(xué)應(yīng)用于主動(dòng)控制技術(shù)中，除了控制律和時(shí)滯對(duì)伺服系統(tǒng)的影響外，控制的時(shí)間精度和理論分析也很重要。

（二）在工程力學(xué)問題中的應(yīng)用分析

在工程力學(xué)問題中的應(yīng)用分析主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：航空航天和大型空間柔性結(jié)構(gòu)的討論，在分析時(shí)期規(guī)模的過(guò)程中發(fā)現(xiàn)其規(guī)?？蛇_(dá)數(shù)萬(wàn)節(jié)點(diǎn)，包括飛行器碰撞、裝甲設(shè)計(jì)與研究、載人航天器著陸碰撞、坦克晃動(dòng)災(zāi)害、航空醫(yī)療設(shè)備設(shè)計(jì)等。

（三）航空航天工程相關(guān)數(shù)值檢驗(yàn)應(yīng)用分析

固體力學(xué)在航空航天工程相關(guān)數(shù)值檢驗(yàn)應(yīng)用分析，其檢驗(yàn)的主要研究對(duì)象是：常規(guī)驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)、研究實(shí)驗(yàn)。數(shù)值試驗(yàn)可以帶來(lái)許多好處。例如，可以大大降低測(cè)試成本，極大的縮短測(cè)試周期。所有的測(cè)試環(huán)境和條件，即使是在實(shí)際實(shí)驗(yàn)室條件下很難實(shí)現(xiàn)的環(huán)境和條件，都可以在計(jì)算機(jī)上復(fù)制。太陽(yáng)能電池板和空間站等空間結(jié)構(gòu)具有體積小、重量輕、剛度低、固有頻率低、連接器多等特點(diǎn)，一次溫度范圍在300℃以上至100℃以上，且處于失重狀態(tài)。難易程度可視化，難以獲得可靠的測(cè)試結(jié)果。然而，計(jì)算力學(xué)更容易在復(fù)雜環(huán)境中再現(xiàn)或計(jì)算機(jī)模擬大型和微觀結(jié)構(gòu)的復(fù)雜力學(xué)過(guò)程，并且比為實(shí)現(xiàn)相同目標(biāo)而進(jìn)行的試驗(yàn)所需的時(shí)間和成本要少得多。

實(shí)驗(yàn)的環(huán)境響應(yīng)是通過(guò)活化響應(yīng)的相關(guān)圖像來(lái)模擬的，而活化響應(yīng)的相關(guān)圖像通常是通過(guò)計(jì)算得到的，固體力學(xué)在航空航天工程中相關(guān)數(shù)值檢驗(yàn)的應(yīng)用可以為實(shí)驗(yàn)過(guò)程帶來(lái)一定的優(yōu)勢(shì)。固體力學(xué)在航空航天工程中相關(guān)數(shù)值檢驗(yàn)從根本上減少了實(shí)驗(yàn)的時(shí)間，計(jì)算機(jī)技術(shù)雖然在實(shí)際環(huán)境中很難實(shí)現(xiàn)，但可以降低實(shí)驗(yàn)的成本和時(shí)間。一般來(lái)說(shuō)，大型空間天線和太陽(yáng)能電池板體積較大，其本身的重量較輕，很難進(jìn)行空間的實(shí)驗(yàn)再現(xiàn)。同時(shí)，實(shí)驗(yàn)的最終結(jié)果也很難保證其準(zhǔn)確性，但應(yīng)用固體力學(xué)可以利用計(jì)算機(jī)技術(shù)再現(xiàn)空間，實(shí)現(xiàn)微觀組織力學(xué)過(guò)程的模擬，實(shí)驗(yàn)所需的時(shí)間也比前者短，還可以方便實(shí)驗(yàn)人員跟深入的了解設(shè)計(jì)參數(shù)。在飛行器碰撞的情況下，數(shù)值試驗(yàn)也可用于解決問題，但由于設(shè)計(jì)時(shí)間較長(zhǎng)，可以用數(shù)值模擬代替。

結(jié)語(yǔ)：

總而言之，在社會(huì)發(fā)展的影響下，航空航天行業(yè)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展，固體力學(xué)作為力學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)早期科學(xué)概念，得到了廣泛的應(yīng)用。因此，本文詳細(xì)分析了固體力學(xué)的發(fā)展前景，并對(duì)固體力學(xué)在航空航天工程中的應(yīng)用從三個(gè)方面進(jìn)行了分析，從主動(dòng)控制技術(shù)、工程力學(xué)、航空航天工程中的相關(guān)數(shù)值檢驗(yàn)等方面的應(yīng)用論述了固體力學(xué)在航空航天工程中的應(yīng)用，希望能夠促進(jìn)固體力學(xué)的高質(zhì)量發(fā)展。

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