探究计算结构力学在飞机强度领域的发展与展望

【摘 要】计算结构力学是结构力学领域的一项伟大成就。本文概述了计算结构力学的重要作用极其发展历程，结合国内的实际情况，进一步探讨计算结构力学以后的发展方向。

【关键词】计算结构力学；结构优化设计；结构虚拟实验

1 引言

结构力学是固体力学的一个分支，主要是研究在各种荷载、支座位移、温度变化等因素作用下，计算工程结构的刚度，稳定性以及强度的一种计算方法以及其组成规律的一门学科。传统力学有一定局限性，含义比较狭窄。在计算机出现之前，结构力学只能通过一些数学方程式，简化计算方法，进行大量实验来得到使用公式。而当第一台计算机在美国出现，这一切都发生了巨大的改变并使结构力学得到了迅速的发展。

计算结构力学在各种大型结构上都非常有用，可以整体分析各种工程结构，还可以不再被动地对其进行优化，二次设计，并提高了计算分析的正确性。可以说在工程科学中，计算结构力学的发展具有划时代的革命性意义。

飞机是人类在20世纪所取得的最重大的科学技术成就之一。现代飞机是一项极为复杂的工程系统，综合运用了各个方面最新的工程技术，力学在飞机设计中，是最为重要的一项工具之一。20实际60年代计算机的发明，使其可以计算更加复杂的程式，使飞机的各项设计更加精确和优化，并且与其他各种设计工艺相结合，产生了基于计算机的一体化设计方案。航空技术迅猛发展，对飞机的设计也有了更高的要求，要遵循结构上的耐久性和损伤容限设计，还需更安全，更轻量化。结构要达到飞机可以承受的应力水平外，细部的抗疲劳能力也是决定飞机寿命的一项重要因素。

2 计算结构力学在飞机强度领域的发展

2.1 发展历程

在航空界，计算结构力学主要作用于以下几个方面。辅助材料设计，结构试验和优化，复杂现象机理以及预计真实环境下飞机的性能和寿命等。

国际上，从五十年代起步，计算结构力学大概可以分为四个发展阶段。第一阶段主要是用简单的力法和二维三维位移有限元法来开发结构分析程序；第二阶段，目前市场中广泛运用分析软件如MARC、NASTRAN等都是在60年代开发出来并投入市场的，技术上，使用数值求解器使得线性静力等问题也得到了解决；第三阶段，计算机技术又发展到了一个新的阶段，各种处理软件，优化技术以及辅助设计系统都得到了完善和扩充；第四阶段，90年代至今，网络时代的迅速发展，使得各项综合科学技术都得到了全面的发展提高。

在国内，航空领域从70年代末起步就立刻快速发展起来，设计人员先后开发出如HAJIF、VEP等不逊于国外的结构分析软件，进入90年代，“计算机辅助分析系统CATAS”的问世，更是大大缩短了计算结构力学与国际上的差距，计算机进一步发展，可辅助试验设计，进行分析评估实验数据，并在分析结构破坏等方面都起着不可忽视的作用。

2.2 结构优化设计

结构优化设计在计算结构力学中是很重要的一环，广泛应用于航空领域。现代飞机制造的要求越来越高，在使用寿命，重量，机动性等方面的标准也越来越严格，为达到要求，各种适用于各个阶段机身制造的尺寸优化软件应运而生，使优化设计发展的尤为迅速。在概念设计阶段，结构优化主要是形式、材料等来进行布局优化设计，关键点在于参数化建模。主要是通过分析各种材料结构的弹性模型，计算其参数的变化，从而修正模型结构。

研制新型飞机的过程中，为了使分析与优化达到一体化程度，发展结构多层次细节的优化设计是非常重要的。根据飞机的航程、升限、飞行速度等性能的要求，在总设计中要综合考虑到多方面的情况，初步布局好相应的几何结构，然后按照此结构布局，进一步优化截面尺寸，对结构的有限元进行计算其在外载荷下的响应，并且对于一些细节部分，需要特别着重关注，对其关键部位进行进一步的优化分析。

飞机的设计是先进而复杂的，航空领域的结构优化设计已经从单一学科发展成融合多个学科的综合性优化设计。目前有三种方法。第一种方法适用于交叉学科研究。通常在涉及到两到三个交叉学科时，以其中一个为主，其他为辅。第二种方法是利用简单的分析工具，用一个计算机程序集成分析不同学科的设计内容，从而减少计算难度。第三种方法是改变单学科程序，综合优化设计整个系统。如利用我国自主研发的COMPASS系统为平台，进行气动弹性剪裁，就是第一种方法。第三种方法主要用于结构和启动学科的耦合设计。这要求设计者必须具备全面综的综合考虑各个学科之间的耦合关系的能力，根据其耦合关系，分解系统，调控框架，从而进行全局优化。

本质上，协同优化就是把一个多学科综合的复杂的设计问题分解为各个学科内的问题，然后通过某种办法来协调解决各个学科的设计结果。原有的问题被协同优化为两级。一个系统级和多个学科级，学科级之间并行。学科级应满足其自身所要求的约束条件，并且达到与系统级分配的目标函数差距最小的要求，经过学科级优化以后，再回传给学科级。从而使各个学科级子系统的差异性越来越小，达到最后最一致的设计结果。

3 飞机结构虚拟试验及展望

飞机结构强度虚拟试验是飞机制造中非常重要的一个环节。计算机结构技术使飞机结构分析技术得到了迅猛的发展，CAD/CAE等技术使传统的飞机制造流程得到了改变。有限元技术可以在设计飞机数字模型的时候，随时对结构进行性能评估并做出修改，不用进行花费较大的结构试验，大幅降低了设计成本。使用虚拟技术进行试验，进行结构认证，减少结构认证的时间。

早在1984年，英国NAFEMS就提出了在航空极其相关领域开展仿真实验的设想，欧洲在20世纪80年代也做过相应尝试。近年来，美国Boeing建立了协同虚拟实验并采用了积木式的虚拟验证方法，开发了如GENOA等高保真的破坏分析软件。

在航空领域，结构虚拟试验已经取得了巨大的发展，已经成为了结构分析必不可少的一部分，但还需进一步加强其可靠性，并进一步降低成本，加强细节。

积木式的认证策略被广泛应用于分析和试验各种飞行器，各种复杂程度不同的结构均可适用。通常从比较小的开始，再开始试验结构元件，组合件，最后再试验全尺寸，从而完成对整个飞行器的结构的检测分析认证。

如何准确预测结构破坏的强度，并分析出其评估数值，是虚拟实验技术的核心技术。需要建立多层次鲁棒性的结构模型，模拟破坏进程，采用迭代式的分析方法，进行相应评估，从而达到强度虚拟实验的目的。要达到此目的，需要基于大量试验结构数据作为分析要素。

结构虚拟试验软件是开放式的，通过对比方针数据和物理试验结果，可以不断的补充和完善软件功能，提高可信度。

4 结束语

计算结构力学在飞机强度领域已经得到了越来越广泛的应用。随着航空业的发展，飞机的低周期成本及飞机使用的多样化已经成为飞机发展的一个趋势。计算机结构力学顺应这种趋势，已经成为飞机制造的一项不可或缺的重要工具。结构优化设计和结构虚拟实验是计算结构力学在飞机强度领域的两个发展重点。通过集成化的结构设计软件，分析数据，优化设计，结合虚拟试验，构建模式，从而降低成本，缩短周期。

参考文献：

[1]张立丰，姚卫星，邹君.模块化飞机结构优化设计的等效多工况法[J].航空学报，2015（03）.

[2]姚珊珊.面向成本的飞机结构优化设计[J].飞机设计，2011（01）.

[3]魏陆顺.结构力学概念及工程应用[J].中国建设教育，2015（01）.

[4]胡旭，党瑞荣，冯欣宇.飞机结构强度试验中应变量三线测量法的应用[J].机械工程与自动化，2013（06）.