高性能航空复合材料结构的关键力学问题研究进展

复合材料具备基于多种材料有机融合后所产生的“1+1>2”的优势，是实现航空飞行器结构轻量化、功能化与智能化的有效途径。然而，由于复合材料高各向异性、结构多尺度化等方面的特征，导致设计、制造及表征评价等方面都存在诸多问题与挑战。高性能复合材料结构在航空装备中的发展是一个涉及力学、材料、机械、控制等多学科融合的交叉性问题。本文针对其中涉及的若干关键力学问题，重点围绕近年来国内外在航空复合材料结构力学设计与性能评估、功能化设计以及制造工艺力学等3个方面的研究进展进行了概述，并对未来航空复合材料结构在这3方面的发展趋势进行了展望。     

宏/细观一体化多尺度数值分析的进展与应用

以C/SiC为代表的纤维增强陶瓷基复合材料具有多尺度特征，传统的复合材料力学理论和以均匀化假设为基础的常规有限元分析方法难以全面准确地评估其力学行为。因而，近年来以跨微观-细观-宏观为特征的多尺度数值模拟方法被广泛应用于评估复合材料的力学特性，加快了新一代复合材料的研发和推广应用。本文首先从分析策略角度，对目前学术界的多尺度数值计算方法的发展情况进行了分类概述，总结了不同宏/细观多尺度方法的特点。在此基础上提出了新的采用过渡区域的宏/细观一体化多尺度建模计算方法，给出了开孔板和典型连接的算例结果，并探讨了其面临的技术难点及合理应用场景。以热结构最常用的典型盒型件为对象分析了其力学特点，给出了采用这种建模计算的必要性和分析策略。     

爆炸破片作用下 舰载导弹战斗部的安全性数值模拟

文章主要针对爆炸破片作用下,垂直发射系统中舰载导弹战斗部的安全性进行分析,分别讨论了破片的质量、速度、侵彻角度和破片的数量等因素作用下,舰载导弹外防护设置以及战斗部的响应特性。结果表明:在临界起爆条件附近,炸药的点火增长对撞击速度的变化很敏感。同时,入射角对其是否引爆威胁战斗部的影响也很大;当两破片间距小于破片直径时,破片撞击战斗部形成的冲击波会相互叠加,压力峰值增大,更容易引爆战斗部,而当两破片间距大于1.7倍的破片直径时,此时两破片产生的冲击波叠加效应降低。     

模块化月球表层采样力学模型

因不受作业空间的限制，月球表层采样机具设计形式多样，为建模分析带来较大难度。为避免不同结构机具分析时重复建模，建立了一种模块化的月球表层采样力学模型。该模型将复杂的采样机具拆分成若干个基本面单元，基于朗肯土压力理论、最大抗剪强度理论和地基极限承载力理论对面单元在采样过程中的受力进行分析，组合各个面单元所受到的力获得复杂机具的力学模型。基于不同机具形式与贯入角度的模拟月壤贯入试验，对理论模型进行了试验验证，通过引入月壤密度沿深度的影响修正公式，将理论模型的误差率降低至8.2%。结果证明该力学模型和模块化理论可行，为后期月球表层采样机具的设计研发提供了参考。     

用于空间探测的静电分析器轻量化设计与验证

针对空间探测载荷的轻量化需求，以空间等离子体探测的静电分析器为研究对象，进行了轻量化设计和验证。在材料及加工方式选择方面，充分利用增材制造这一新兴加工手段，打破传统轻量化设计时追求低密度材料的思路，对比多种材料及加工方式下设备重量及力学表现，确定铝合金为主要材料，3D打印为主要加工方式。在结构设计方面，基于3D打印加工的优势，在减小设备各部分结构厚度的同时，适当设置加强筋以解决薄壁在后处理时易产生形变的问题。采取上述方案设计的设备质量减少至1.2 kg，比使用镁合金及传统加工方式的设备质量（2.2 kg）下降45%。以典型航天任务的鉴定级力学试验条件作为输入，开展了设计模型的有限元仿真，完成实物加工装配以及力学试验，验证了该设计的抗力学性能。     

极区横向地理系空间稳定型惯导算法研究

针对地心惯性系和当地地理系的空间稳定型惯导系统导航算法在极区导航失效的问题,提出了适用于空间稳定型惯导系统的极区导航算法。该算法通过伪经纬网构建了横坐标系参考框架,建立了横向地理系空间稳定型惯导系统力学编排,并在此基础上重新推导了通用的误差模型。最后,通过极点附近区域与穿越极点区域仿真分析了算法的极区有效性。仿真结果表明该算法在极点附近区域解算的伪航向角误差小于3′,伪经度误差小于4′;在穿越极点区域解算的伪纵摇角、伪横摇角误差小于0.3′,伪航向角误差小于3′,伪东向、伪北向速度误差小于1m/s,伪经度、伪纬度误差小于4.2′。该算法克服了极区导航计算溢出、误差放大等问题,提高了系统的极区导航精度,能够满足极区导航要求。     

毫米级球状沙尘颗粒连续冲击损伤的力学模型与数值模拟研究

在服役环境中，航空发动机叶片易受到沙尘颗粒的连续冲击作用，产生凹陷、撕裂、微裂纹等损伤，从而影响其高周疲劳性能。为保证航空发动机的结构完整性和安全可靠性，有必要深入分析沙尘颗粒连续冲击对叶片造成的影响。本文基于损伤力学理论，开展了毫米级球状沙尘颗粒连续冲击损伤的力学模型与数值模拟研究。首先，推导了损伤耦合的J-C本构模型和连续冲击损伤模型，给出了材料参数的标定方法。其次，基于ABAQUS平台，编写Vufield子程序和Python脚本，实现了连续冲击损伤的数值计算。通过将计算结果与文献中的试验数据进行对比，验证了该方法的有效性。最后，分别进行单个和多个沙粒连续冲击的数值模拟，分析了冲击变形、残余应力和冲击损伤的变化规律。单个沙粒连续冲击叶片的计算结果表明，冲击凹坑深度、冲击残余应力的影响跨度及最大冲击损伤随冲击速度、沙粒尺寸和冲击次数的增大而增大。针对两种不同的随机冲击方式，多个沙粒连续冲击叶片的计算结果表明，沙粒个数越多，最大冲击凹坑深度越深，冲击损伤主要发生在沙粒与叶片接触部位，冲击损伤随冲击次数变化呈阶段性突增。     

共轴高速直升机飞行力学建模与验证

针对共轴双旋翼带尾推力桨构型的高速直升机的多旋翼气动干扰问题,发展了一种不同转速多旋翼的时间步进自由尾迹模型。将多旋翼复杂气动干扰的诱导速度分析结果整理成表,为飞行力学计算中的旋翼非均匀入流模型提供修正数据,从而降低计算量、提高分析精度。对共轴高速直升机的刚性桨叶进行挥舞模态一阶等效,建立了兼顾精度和计算效率的共轴高速直升机飞行动力学模型,并将旋翼试验结果与XH-59A的试飞数据进行了对比验证。结果表明:所建模型对旋翼气动力计算误差小于10%;而在飞行力学分析中,相比于自由尾迹方法大幅降低了计算量,且总距、横向周期变距和总距差动等通道计算误差均小于1°。     

院士风采

1935年11月出生．1959年从北京航空学院空气动力学专业毕业后到北京空气动力研究所工作．历任技术员、工程组组长、研究室主任、副所长和科技委主任。1980～1982年在美国普林斯顿大学机械与宇航工程系作访问学者和客座研究员。