| 单词 | 计算固体力学在航空航天工程中的应用 |
| 释义 | 【计算固体力学在航空航天工程中的应用】 目前，计算力学在航空航天工业中最活跃的一些应用领域有以下几方面。 复杂工程力学问题的分析 例如航空航天器和大型空间柔性结构的分析，其规模往往高达数万个结点、近10个自由度；飞行器的高速碰撞，如飞机的鸟撞、坠撞，包容发动机的叶片与机匣设计、装甲的设计与分析、载人飞船在着陆或溅落时的撞击等；耦合，如油箱晃动空气，弹性力学问题，热－固体耦合，磁－热－固体耦合等；生物医学工程，如航空医学、弹射坐椅、头盔及其它救生设备的设计等。数值试验 用数字计算机上的数值计算来代替一部分常规的验证性试验和小部分研究性试验；用活化的(从计算得到的)响应图像来模拟真实结构在真实实验室环境条件下，观测到的响应。数值试验可以带来许多好处，例如，它可以大幅度降低试验费用，可以明显缩短试验周期；所有的试验环境和条件，即使在真实实验室条件下，难以实现的条件和环境，都可以在计算机上复现。逆问题(或反问题) 在工程实践中，真正感兴趣的并不是正问题而是逆问题。以特征问题为例，如结构特征问题和控制方程为：Kμ－λMμ。其中，K是结构的刚度矩阵，M是结构的几何刚度矩阵(稳定性问题)或质量矩阵(固有振动问题)，λ是问题的特征值，μ是特征模态，给定K和M，求λ和μ，这是正问题：反之，如果给定λ(μ)，要求设计一个具有恰当的K和M的结构，使实际的λ(μ)与预定值λ(μ)较好地相符，这是逆问题。逆问题在航空工程已有初步应用。主动控制技术(ACT) ACT是一门综合技术，它将自动控制理论，随动系统的设计与制造，以及具体物理问题的理论与分析方法综合在一起。在航空工程中，ACT可用于地形跟随、地形回避、改善飞行品质(如操纵性和稳定性)、减缓阵风响应、颤振主动抑制，等等。当应用于上述问题时，物理问题的理论与分析包括空气动力学、飞行力学、(线性／非线性)结构力学以及流固体的耦合响应(弹性体空气力学)等。自动控制系统将传感器获得的信息进行筛选和分类，通过网络传给机载计算机，计算机再根据这些实时信息(环境与状态)进行快速计算，确定应采取的应对措施，及时反馈给控制系统予以实施。在主动控制技术中，除正确的控制律和时间延误尽可能小的随动系统外，精确而快速的理论分析对及时的正确控制同样起着十分重要的作用。随机过程 长期以来，无论是解析法还是数值法，在计算工程结构时，是把问题所涉及的参数看成确定性的，这样得到的响应预估自然也呈确定性。但实践证明，预估的结果并不可靠，有时是很危险的。为了保证结构的安全，采用了安全系数设计法。而安全系数的值的大小取决于结构与环境参数的分散程度；安全系数法并不能从积极方面改进结构，而且过高或过低估计安全系数值，会导致不经济的或不安全的结构。因此，从20世纪70年代开始，安全系数设计就逐渐被可靠性设计所替代。当前在航空工程中，随机过程和可靠性分析应用最广泛和最迫切的是疲劳寿命预估和裂纹扩展问题。为了满足工程应用对数值分析的精度、解决问题的能力、多样性以及计算效率等所提出的要求，缩小计算力学的已有技术水平与对计算力学的要求之间存在的差异，正在研究如下新的方向。新的数学陈述方法 数学陈述(formulation)的改进不仅可以提高解的精确度，而且可以提高计算效率。例如在边值问题中，奇性会使标准有限元数值解的效能恶化。因为响应在奇点附近的梯度很大，甚至发生突变，所以无法在准均匀网格上用分片插值多项式准确地逼近正确解。这时，固然可以在局部细化网格并控制细化的层次数目或在奇点附近扩大插值函数空间，另一种办法就是创造新的用于奇点附近的单元－奇异元的介于奇异元与标准有限元之间的过渡奇异元。为了构成奇异元，可以在插值多项式中引入奇异性，可以移动单元的结点位置以造成奇异性，也可以令参元退化从而产生奇异的jacobi。但是，应该针对不同的奇异单元，也就是根据对奇异性类型的认识来拟定构成奇异元的方法。有限条法也许是最早的一种解析－数值杂交单元，但F．W．Willams提出的另一种杂交技巧则使用更加方便。以梁单元为例，可以用解析方法求得梁的微分控制方程的精确解，并用这一解函数作为单元的插值函数，由此导出的梁单元具有高度精和高效率的优点。在解刚架的稳定问题时，用两个这样的单元所达到的精度，需要用10个标准的梁单元才能达到。在求解结构固有振动的特征值问题时，它还可以有效地防止丢失某些特征频率。求解策略的改进 在这方面已经做过大量工作，比较突出的是求解非线性问题、传播问题、接触－撞击问题等方法的改进。求解非线性问题注意力集中在改善增量解法、确定分支点和极值点的位置以及跟踪屈曲后平衡历程方法的效率。例如，为了绕过在临界点附近可能遇到的困难而采取的改进措施；为了减少在分支屈曲、屈曲后历程追踪以及其它非线性问题的分析有过多的自由度而采取的约简法，等等。求解传播问题主要注意力放在如何可靠地模拟诸如飞机的坠撞、汽车的碰撞、结构在受到常规武器打击时的行为、核反应堆在臆想事故中的安全性以及大型柔性空间结构的展开动力学和控制等问题上。关键是如何改进控制方程的时间积分格式，并处理好各种非线性问题的列式。例如，开发用多处理器计算的时间积分格式，对不同空间域采用稳式或显式时间积分的隐式显式并存的算法，以及在不同空间域采用不同时间积分步长等多种求解策略。目前仍然是设法减少分析时间与费用。求解接触－撞击问题主要困难是缺乏合理的仿真模型，以及在求解动力接触问题时遇到的计算上的困难。首先是接触区域(点、线、面)的确定和接触母体在接触区的参变量协调条件的处理，确定接触区的算法应快捷而准确。处理接触区参变量的协调条件通常采用罚函数法。协调条件被满足的程度直接与罚参数的值成正比，当罚参数趋于无穷大时，罚问题的解收敛于原问题的解。然而，罚问题的有限元模型在数值实施的过程中出现了解的乱真振荡，其根源在于补偿项的数值仿真。有效的解决方法是对补偿项采用降阶的求积法则，而对非补偿项则应仍采用正规阶数的Guass求积法则。网格的细化也可以在一定程度上减低振荡。自适应网格细化 为了使数值能令人满意地向精确解逼近，可以采用p－收敛和h－收敛的方法；h－收敛总是有效的，但p收敛有时并不有效。不论是采用p－收敛还是h－收敛，其代价总是增加离散系统的自由度。在一些情况下，h－收敛是提高解的精度所必需的有效措施。例如，在具有Dirichlet或Neumann边界条件的Poisson问题中，在具有凹角的包含双调和的4阶问题中，在具有锐角及锐边的粘流问题中，在具有凹角和凹边的线弹性问题特别是在线弹性断裂力学问题中，将会呈现奇异性；由于解在奇点附近的梯度很大甚至会有突变，导致采用标准有限元或均匀网格的数值解在奇点附近局部恶化，而改善这一情况的简单而有效措施，除采用带过渡元或不带过渡元的奇异元外，就是将网格细化。从提高效率的角度看，网格不应均匀地细化，而只应是局部细化。已经提出了2类细化策略，即分区分层次细化，以及不增添结点数目而是移动结点的原来位置，使网格布局优化。问题是，如果细化不是自适应的，往往会出现细化得不够或细化得过密的情况，前者使解达不到应有的精度；后者使计算时间和费用不必要地增加。前一段时间，在自适应网格细化方面做了许多研究工作。在分层次细化法方面，可取的做法是先给定一个初始(粗)网格，根据这网格获得初始的有限元解。于是由局部误差估计量来判定各个单元中误差的大小，并与事先规定的容许误差值进行比较以确定这单元是否应该进一步剖分。在网格优化方面，主要注意力放在优化的搜索方法和准则的选择上，目的是使解既能达到精度要求又不要求过多的计算时间。当前，高效准确的算法仍然是研究者追寻的目标。并行计算 80年代，作为计算机的主要革新之一，出现了大型并行计算机和可以作并行处理和微机网络。目前多数并行计算机的浮点运算速度可以达到数亿HOPS，而在不远的将来可指望达到5×1010fps。计算机技术的这一重要革新，必然会导致计算力学的分析方法的求解策略和相应变化，以尽可能利用和发挥计算机的巨大潜力。过去的许多著名大型有限元分析程序都是在串行机上运行的。然而，为了适应并行处理的多指令、多数据(MIMD)结构，必须研究有限元分析的并行化过程、包括有限元分析的原有的各个步骤：生成单元矩阵；组装总体方程；求解方程组；给出结点位移、速度和加速度和单元的应变、应力(或者依问题的不同，给出其它的响应)。专家系统 由于专家系统可以为指定的领域提供处理问题所需的知识、经验、判断和诀窍，并能象人类专家那样行事，因此它在提高解的精度和计算效率方面，同样可以发挥重作用。交互式图像显示 过去，图像显示技术主要用于有限元分析程序或其它数值分析程序的前、后置处理；在前置处理中，用它来检查输入数据是否正确，在后置处理中则用来整理并显示计算结果，如显示应力和温度分布、关键的危险部位、三维变形图(以核查变形对结构内部活动机构和装备有无干涉)、振动和屈曲模态、活化的动力响应过程，等等。实践证明，图像显示技术显著地提高了计算效率的可靠性。但是，它并不能协助设计和分析人员正确选择计算模型、求解策略和算法，因为在输出图像结果时，计算已经结束，到那时再发现问题已为时过晚。最近，随着并行技术的发展，交互式图像显示又增加了新的功能。由一独立的处理器来处理并显示图像，与执行计算的几个处理器同步工作。任何阶段，计算的中间结果都被传输给图像处理器进行处理并在屏幕上以图像显示，分析人员可通过屏幕对计算过程进行监控。如果发现中间结果有问题，可立即中途进行干预和修改，把失误消灭在早期，避免计算机资源的无谓浪费。交互式图像显示技术的另一个有前途的应用领域是结构的优化。计算机化的结构优化技术已经经历了30年左右的发展历程，取得了很大进展，但在复杂工程问题中的实际应用，特别是对综合系统的优化，却仍然存在着很大困难。当前图像显示技术的发展重点在于增强计算力学的仿真能力，特别是高速动态响应仿真的能力，包括快速复制、可视化、活化以及音响与视图的交互等。今后，计算固体力学的研究热点主要有：(1)改进高频非线性动力学的计算模型、求解策略和算法，使它能更有效地用于高能撞击、冲击加载、结构击穿等过程和值的仿真；(2)分析并设计具有主动或被动调控动态变形能力的智能结构，这种智能结构不仅可用于飞行器和大型空间结构，而且可用于具有抗地震能力的建筑物和石油管道；(3)新材料的研究，例如高性能金属基复合材料、耐高温耐撞击的陶瓷复合材料等。模拟新材料在大应变塑性、高温蠕变以及高应变率非弹性范畴内的本构关系，模拟先进材料的制造过程如固化、界面结构、超塑性成型等；(4)建立随机的仿真模型以考虑结构参数、材料特性、外载荷、使用环境以及加工质量的易变性对结构响应和正常工作能力的影响，研究并改进评估计算模型可靠性的实用方法；(5)研究新材料制成的结构件损伤容限的评估方法，研究如何能可靠地预估由新材料制成的结构的疲劳寿命和裂纹扩展寿命；(6)研究结构与其它介质的相互作用现象，如复合材料(前掠或后掠)机翼的材料－空气－结构的耦合，油箱晃动问题和深海采掘工程中的流体－结构的耦合等；(7)研究先进推进器中结构元件热粘塑性响应的分析方法，以及掺有非线性连接件和非比例阻尼的大型柔性结构的动力分析方法等；(8)研究求解逆问题的实用方法。(北京航空航天大学固体力学研究所龚尧南撰) |
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