[科普中国]-航天器结构力学

简介

航天器结构力学主要研究航天器结构受力和传力的规律，以及如何进行结构的优化。

评定结构的优劣，从力学角度看，主要是结构的强度和刚度。工程结构设计既要保证结构有足够的强度，又要保证它有足够的刚度。强度不够，结构容易破坏；刚度不够，结构容易皱损，或出现较大的振动，或产生较大的变形。皱损能够导致结构的变形破坏，振动能够缩短结构的使用寿命，皱损、振动、变形都会影响结构的使用性能，例如，降低机床的加工精度或减低控制系统的效率等。2

航天器结构的分析本世纪发展起来的航天事业，对航天器结构力学的分析提出了更严格、更细微和更全面的要求，从而促进和推动了航天器结构分析的发展。3

航天器结构特点航天器结构具有下列特点：

重量轻：航天器要求把有效负载送入指定轨道，结构重量轻可以减少燃料消耗量，提高有效负载比重。因此航天器结构在构型和选材等方面都必须精心考虑。

受载大：由于航天器飞行速度和加速度都很高，因而气动载荷、发动机推力及过载都很大。在结构分析中必须考虑这一特点。

工作条件恶劣：航天器结构在整个工作过程中，遇到气动加热、发动机传热和高温蠕变等，由于气动力、质量力和弹性恢复力等联合作用下产生发散、操纵反效和颤振等气动弹性问题，或者受到各种冲击力或振源的影响产生冲击、振动等动载荷问题。

可靠性要求高：众所周知，任何零部件的失效或破损都将导致后果极其严重的事故，所以必须对航天器提出极高的可靠性要求。3

航天器结构分析任务从本质上讲，航天器结构力学分析的基本任务是决定结构在静力和动力作用下，受确定载荷、温度和约束条件作用下的应力和位移分布。然而，由于航天器的特点，为保证整体性和效率，已将航天器结构分析的领域作了很大的扩展和延伸，归纳起来有以下几方面3：

强度分析。计算应力分布、最大应力和强度储备。

刚度分析。计算位移分布及零部件的刚度特性。

结构稳定性分析和后屈曲分析。

结构振动分析。计算振动模态和固有频率。

结构弹塑性分析。

热弹性和热弹塑性分析。

材料的蠕变问题。

气动弹性问题，抖振、发散和临界颤振速度。

动力响应问题。

接触问题和应力集中现象。

疲劳裂纹的形成和发展，断裂问题和确定寿命。

结构设计的优化。

结构可靠性分析。3

上述诸领域中，绝大多数都属于非线性问题，包括材料非线性、几何非线性，以及接触边界的非线性等，用传统的经典力学及其解法不可能得到解答，只有在高速电子计算机和相应的各类程序语言迅猛发展的今天，再配以线性和非线性有限元算法，上述各类问题都可得到完善解决。3

结构力学分析方法航天器结构力学的分析方法归纳起来可以分为两大类，即解析法和数值法。经典解析法从研究连续体中，微元体受力平衡出发，推得描述弹性体性质的偏微分方程，再根据相应的力或位移边界条件，求得闭合形式的解析解。但对于大多数航天器实际问题，由于物体几何形状不规则，以及材料的非线性和不均匀性等原因，不仅在使用中受到很大限制，而且难以得到满意的解答。特别是涉及复杂结构和材料与几何非线性分析问题时，一般不能采用解析方法求解。3

对复杂结构分析采用数值法行之有效，工程中采用的数值法有两类，即微分方程的数值解法和近几十年迅速发展起来的有限元法。有限元法可以说是各种经典数值解法的综合产物。它集合了雷莱-里兹法，伽辽金法和最小二乘法等优点，加上应用不断发展的计算机和计算技术，已经成功地应用于结构分析的各个领域中。3