计算结构力学在飞机强度领域的发展与展望

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1、维普资讯http://www.cqvip.com计算结构力学在飞机强度领域的发展与展望段世慧(中国飞机强度研究所十室，陕西西安710065)摘要分析回顾了计算结构力学在飞机强度领域的发展历程，结合国内具体实际，提出了两个发展方向：面向设计的多学科综合优化设计，与试验结合的虚拟结构试验。通过对两个方向的技术综述，探讨了关键技术和进一步需要着重开展的工作。关键词计算力学优化设计虚拟结构试验1引言计算结构技术是结构领域的一次革命性发展。使结构的理论计算变成一种实用工具，深刻地影响了结构设计思想和设计过程。其发展与计算机硬件发展密切相关，经历了开发基本的结构分析程序，开

2、发通用有限元程序，完善及扩充通用有限元软件，微机化和网络化四个发展阶段。计算结构力学在航空界应用主要有五个方面：预计结构在真实环境下的响应、性能、破坏及寿命，研究复杂现象破坏机理，辅助结构试验，辅助材料设计，辅助结构优化设计。当前的计算力学研究，既有空间尺度的离散化，又有时间尺度的离散化，分析范围包括从微观到结构级的破坏机理研究，工程应用方面，正在进一步强化前后置处理，可实现结构的分析仿真。随着大规模有限元软件的成熟和普遍应用，结构计算分析已经工具化，甚至可以由不具备有限元建模和分析专业知识的人员使用。因此计算结构力学在飞机结构强度领域正朝着两个方向发展：面向设

3、计的多学科综合优化设计，与试验结合的虚拟结构试验。2计算结构力学在飞机强度领域的发展收稿日期：2005年3月10日．143．维普资讯http://www.cqvip.com国际上，计算结构力学从五十年代起步，其发展可大致分为四个阶段：第一阶段从50年代到60年代，开发基本的结构分析程序，集中在力法和简单的二维和三维位移有限元法：第二阶段，60年代，开发通用有限元程序，目前著名的NASTRAN、ANSYS、MARC、SAP等分析软件都是当时开发投入市场的，同时，技术上产生了混合元和杂交元理论，形成高效数值求解器，线性静力问题求解基本成熟；第三阶段，70年,f-tL

4、~,J80年代，完善及扩充通用有限元软件，产生了结构优化设计技术、前后置处理软件及计算机辅助设计系统，出现了断裂力学的奇异元技术、边界元技术、有限元与其他数值方法联合求解技术：第四阶段，90年代至今，进入微机和网络时代，一方面，软件适应新的计算机环境，另一方面，其他学科的综合技术发展迅速，多学科综合优化设计和结构仿真技术出现了强人的发展势头。国内从7O年代末开始起步，立刻就形成了一个快速发展期。在航空领域，掀起了研究计算力学、开发通用航空结构分析软件的高潮。先后研制出航空结构分析系列软件，如HAJIF、COMPASS、VEP等，缩短了与国外在结构数值分析及设计方

5、面的差距；从九十年代起，大力发展计算机辅助结构试验、试验与分析综合技术研究，开发了“计算机辅助试验分析综合系统CATAS”，可进行计算机辅助试验设计，试验响应的计算机实时显示，试验与分析的一致性评估等，同时，在结构试验数据库技术、结构破坏分析技术等方面开展了深入地研究作。综观计算力学发展历程，国内虽起步晚，但发展快，技术方法的研究几乎与国际同步，1：程应用也已非常普及。与国外的差距主要体现在基础性的破坏机理试验数据积累、多学科综合、及软件商品化方面。3面向设计的多学科综合优化设计结构优化设计是计算力学的重要组成部分。在航空应用方面，国内外已开发了多个用丁初步设计

6、阶段的尺寸优化软件，对飞机研制起着重要作用。现代飞机轻重量、长寿命、高机动、高隐身等要求，推动着优化设计进一步发展。结构优化设计正从尺寸优化向结构布局优化发展，将结构形式选择、材料选择、布局优化结合起米。结构布局优化主要用于概念设计阶段，建立气动外形与结构承载减重之间快速反馈。拓扑优化、形状优化、位置优化是基础技术，参数化建模是实施布局优化的关键技术。参数化建模就是根据结构布局参数，快速建立复合材料／金属混合结构的静力、动力、气动弹性分析模型，并能根据布局参数的改变，自动修改结构模型。十五预研已开展了研究，但距工程应用还有很大差距。结构优化设计正从总体结构设计向

7、多层次细节结构优化设计发展，结构多层次优化设计，为促进结构分析与优化一体化进程、加速新型飞机的研制起到着重要的作用。翼面结构的优化设计一般分为三个层次：总体级、中间级、细节级(见图1)。在总体级设计中，需要根据飞机总体性能(航程、最人飞行速度、升限及机动性等)的要求，综合考虑结构、气动、控制及推进等学科，初步地确定结构的几何布局；在中间级的设计过中，按已确定的结构几何布局，．144．维普资讯http://www.cqvip.com对结构进行有限元分析，计算在外载荷下的各种结构响应，并在结构及气动约束条件下优化结构的元素截面尺寸；在细节设计里，对一些需要着重注意的

8、关键部位，进行详细的分析