飛機(jī)結(jié)構(gòu)的三維損傷容限耐久性預(yù)測設(shè)計與虛擬試驗技術(shù)-飛機(jī)(更新版)
【正文】 郭萬林，1960年10月生，博士、教授，歷任西安交通大學(xué)副教授、教授、博士生導(dǎo)師。通信地址：南京航空航天大學(xué)325信箱納米科學(xué)研究所 郵編：210016Email: wlguo Tel./Fax: +8625848958276 / 6。曾主持過國防重點預(yù)研、國家杰出青年基金、國家自然科學(xué)基金、國防重點型號工程、發(fā)動機(jī)和飛機(jī)等多個國防系統(tǒng)工程子項目等20多個較重要的項目和許多其他項目。因此，飛機(jī)多尺度損傷容限設(shè)計和分析技術(shù)不可能停留在單個CPU限制的技術(shù)框架之內(nèi)，發(fā)展利用多個CPU或計算機(jī)集群技術(shù)的并行計算技術(shù)是我國飛機(jī)設(shè)計和虛擬試驗發(fā)展的必然趨勢。3) 基于三維疲勞和斷裂的統(tǒng)一理論，建立從材料、結(jié)構(gòu)初始質(zhì)量和實際結(jié)構(gòu)當(dāng)前損傷狀況預(yù)測其疲勞壽命或耐久性的技術(shù)。3) 飛機(jī)復(fù)雜傳力路徑致使從任務(wù)剖面確定關(guān)鍵部位局部應(yīng)力水平困難；4) 以往強(qiáng)度設(shè)計主要考慮應(yīng)力因素，對加工質(zhì)量、環(huán)境等因素的定量影響估計困難。我國對飛機(jī)壽命的確定主要基于已生產(chǎn)出的成品進(jìn)行實物模擬試驗。這樣，飛行仿真研究就成為確保飛機(jī)安全、可靠的有效技術(shù)途徑。其成果已成功應(yīng)用多種飛機(jī)型號的設(shè)計、材料性能分析，直至一系列關(guān)鍵部件的損傷容限分析和壽命預(yù)測，通過從宏觀到微觀的多尺度飛機(jī)結(jié)構(gòu)模型的建立，成功預(yù)測出與全機(jī)試驗高度吻合的結(jié)果。但是其損傷容限耐久性技術(shù)依據(jù)的理論基礎(chǔ)仍然是二維疲勞斷裂理論，未取得本質(zhì)上的突破，考慮三維約束的疲勞壽命分析模型也都是建立在大量經(jīng)驗參數(shù)基礎(chǔ)上的[9, 10]。然而，在飛機(jī)結(jié)構(gòu)的三維損傷容限耐久性預(yù)測設(shè)計方面，現(xiàn)代的CAE技術(shù)具有很大的局限性[3]。飛機(jī)結(jié)構(gòu)的三維損傷容限耐久性預(yù)測設(shè)計與虛擬試驗技術(shù)郭萬林 趙軍華(南京航空航天大學(xué)納米科學(xué)研究所 南京 210016)摘要 現(xiàn)代CAE技術(shù)的發(fā)展極大地提高了飛機(jī)等大型和/或復(fù)雜結(jié)構(gòu)設(shè)計的效率和技術(shù)水平。目前，國際航空技術(shù)發(fā)達(dá)國家早已實施損傷容限耐久性規(guī)范，并成為國際適航性條例要求。有影響和代表水平的工作主要出自美國NASA以Newman為主的研究組、英國Sheffield大學(xué)nCode公司及其研究組、法國宇航院(ONERA)、瑞典航空研究實驗室(FOI，德文首字)Blom研究組，荷蘭國防動力研究實驗室、澳大利亞國防科技組織(DSTO)等[58]。三維約束理論及其三維疲勞斷裂力學(xué)理論，可以真實地反應(yīng)三維結(jié)構(gòu)的斷裂和疲勞失效機(jī)理和規(guī)律[3, 4]。因此，可利用仿真技術(shù)經(jīng)濟(jì)、安全及可重復(fù)性等特點，進(jìn)行飛行任務(wù)或操作的模擬，以代替某些費(fèi)時、費(fèi)力、費(fèi)錢的真實試驗或者真實試驗無法開展的場合，從而獲得提高航天員工作效率或航天器系統(tǒng)可靠性等的設(shè)計對策。二 現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計的局限性和技術(shù)瓶頸在現(xiàn)代飛機(jī)結(jié)構(gòu)設(shè)計中，數(shù)控整體機(jī)架主承力結(jié)構(gòu)得到大量使用，因而含缺陷結(jié)構(gòu)的三維效應(yīng)對飛機(jī)壽命和安全性的影響日益突出。2) 對塊體結(jié)構(gòu)的損傷容限與耐久性缺乏研究，而飛機(jī)的主承力部件和關(guān)鍵結(jié)構(gòu)多為塊體結(jié)構(gòu)，尤其在大面積使用整體部件的現(xiàn)代飛機(jī)中，三維特征很強(qiáng)，這方面的理論基礎(chǔ)和分析技術(shù)都十分薄弱。2) 基于材料基本斷裂韌性數(shù)據(jù)的三維結(jié)構(gòu)剩余強(qiáng)度預(yù)測技術(shù)：解決從標(biāo)準(zhǔn)材料性能試驗到實際結(jié)構(gòu)斷裂的跨越，解決不同裂紋形式的統(tǒng)一問題，解決復(fù)雜載荷工況下三維結(jié)構(gòu)裂紋的起裂預(yù)測技術(shù)等關(guān)鍵問題。4 基于初始質(zhì)量控制的跨尺度建模和并行仿真技術(shù)單個計算機(jī)CPU的速度已經(jīng)很難進(jìn)一步大幅度提高。 1996年獲國家杰出青年基金，1999年受聘為國家教育部“長江學(xué)者”特聘教授到南京航空航天大學(xué)工作，創(chuàng)建納米科學(xué)研究所并任所長，開展交叉學(xué)科前沿及其在未來空天技術(shù)中的應(yīng)用研
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