固体力学的发展及其在航空航天领域的应用研究
摘 要 固体力学作为工程力学的一个重要分支，要研究的内容是分析各种物质材料在宏观和微观领域的力学性质，以及材料在个体和组合状态下的力学改变及状态，具有丰富而有深度的学科交叉性，通过将数学、物理学、生物学等学科理论成果与具体工程实际相结合，具备一系列突出的学科创新生长点，在各个领域的应用极为广泛，其中在航空航天领域中飞行器运行过程中的复杂问题、计算机数值模拟以及活化响应图像试验、逆问题（或者反问题）、主动控制技术领域以及随机过程中的应用研究，对于航空航天事业的发展具有重要的指导以及推动意义。
关键词 工程力学；固体力学；学科发展；航空航天领域
1 固体力学的学科发展
1.1 工程力学与固体力学
工程力学，主要是指力学知识在工科领域的具体应用，主要研究内容是分析各种物质材料在宏观和微观领域的力学性质，以及材料在个体以及组合状态下的力学改变以及状态，随着我国工业领域的不断发展壮大而不断进步的一门学科。近些年来随着材料学领域的不断拓展以及研究的深入，使得工程力学在新的理论研究的基础上再微观领域的研究不断深入完善。
目前，工程力学的主要发展领域在于材料力学、流体力学以及固体力学三个方面。在材料力学领域，建筑工程通过对钢筋混凝土的强度以及受力分析对建筑物的承载强度进行计算，在机械制造领域通过对机械各个部分的剪切力以及扭转力的分析对机械进行预先的研究设计从而使得精密大型机械的制造可行性大大提高；在流体力学领域，主要是研究液体在流动状态下的力学特性，这对于石油开采具有积极的意义，通过对石油的渗透机理进行研究，将石油流动过程中的力进行量化，从而指导油田的发现以及石油的开采；在固体力学领域，航空航天以及水利工程等方面应用极为广泛，这也是我们主要的研究方向[1]。
1.2 固体力学的发展特点
（1）基础联系工程，理论联系实践
固体力学的主要研究对象是固体在受力情况下的流动、形变甚至断裂等现象，将理论知识与工程实际相结合，联合数学、物理学、生物学等学科知识以及研究成果，从宏观领域延伸到微观领域，研究最新的力学现象以及原理，通过建立新的研究方法以及研究模型，发展新的理论知识，不断丰富自身内涵，保持旺盛的学科生命力，在各个工程领域发光发热，服务国民经济与国防安全。
（2）丰富而有深度的学科交叉性
工程力学的理论以及方法具有广泛性，固体力学作为工程力学的分支之一，其应用遍及自然活动的各个方面，也就会涉及自然科学的各个领域，如数学、物理学、材料学等等，通过对声、光、电、热等领域的深入研究，从而建立从宇宙空间等宏观层面深入到纳米以及分子等微观层面的研究框架。
（3）学科创新生长点突出
固体力学的潜在学科创新生长点主要来源于三个方面，一是研究对象在大小尺度上的精细化，例如与固体力学交叉较为紧密的纳米科技以及研究深入到生物大分子级别的生命科学等；二是物体在多种场力作用影响下的运动和形变，这是随着科技进步以及研究深入，研究人员通过操控多种作用力（如聲、光、电、热、物理化学反应等）来对物体力学作用产生影响，从而达到研究目的；三是由于物体内部非绝对均匀特性而产生的向异性，即使是在尺度层面再精细化的物体，在更加深入的微观层面也是一种非均匀物体。这些潜在的创新增长点也在很大程度上限制了固体力学在新兴工程产业中的应用。
1.3 固体力学发展面临的问题与建议
（1）固体力学发展面临的问题
国家高度关注工程力学，尤其是固体力学的发展，鼓励固体力学与新兴产业领域的交叉应用，根据国家自然科学基金委员会的统计，在近十年中的力学学科各个领域的项目申请以及资助情况显示，在固体力学领域的资助通过率在25%左右，其中材料科学与固体力学的交叉领域是目前发展比较快的领域，这给不断创造出来的新型高性能材料的应用提供重要参考，也给传统材料科学带来新的启示，计算机科学技术的发展以及计算方法的不断进步为固体力学的研究提供了极大的便利，数值模拟已成为固体力学研究的重要方法。
然而，目前固体力学的学科发展也面临一些问题。一是，目前固体力学领域的研究过多集中于基础理论研究，成果转化率不高，在成果应用领域的研究有待加强，固体力学与多学科的交叉导致研究的方向过多、过杂，在一些国家需求较为急切的某些领域，如国防领域、国民经济重要领域等，应该加强研究力度；二是我国的研究水平与世界先进水平存在较大差距，这其中较为明显的是目前我国重大工程力学项目中使用的计算软件基本不存在国产软件，各种大中型研究院也很难脱离进口软件，力学计算软件从规模到水平均与国际先进水平存在较大差距，这对我国国防事业的建设是一重大隐患，也在一定程度上限制了我国力学研究的竞争力；三是力学研究队伍的思想以及思路需要转变，目前我国的固体力学研究队伍基本均存在过度强调对于热点问题的追踪，如在与材料科学交叉研究领域，对于材料的韧度以及强度等的研究热情居高不下，而固体强度问题关注度不高，这一问题也迟迟得不到解决，另外，根据国家自然科学基金会报告显示目前我国在固体力学领域的研究大多集中在理论研究以及计算科学的优化，在实验科学研究以及应用工程领域的研究项目申报所占比率均较低[2-3]。
（2）对固体力学发展一些建议
积极营造固体力学各领域自主探索新型研究氛围，积极引导研究人员树立全面发展的科研思路，去开拓固体力学研究的各个死角，加强对于传统“冷门”研究领域，如实验研究、力学计算软件开发、新技术新理论的产业转化等，的支持力度，通过调整资金支持力度，加强对固体力学学科自主产权类型的高精尖实验仪器以及软件等的开发的资助，提高对实验技术方法创新研究的支持力度，处理好固体力学“热门”与“冷门”研究领域的研究热度以及基础理论研究与应用工程的研究重点。
任何一个学科的研究最基本也是最重要的必备条件是优秀人才，对于固体力学领域的研究尤其是这样，提高对于40岁以下青年研究人员的培养力度，例如，举办各种学术研讨交流会，组织相关人员的出国参观交流学习等，为其提供充足的学习交流的机会。
2 固体力学在航空航天领域的应用
在科研领域产学研一条龙是任何一个学科发展的主要脉络，科研人员根据人类的生产时间的具体需求进行相关的研究，深入探索事物的本质以及相互联系，然后将研究的理论方法重新应用于生产实践，将原本复杂的问题进行可靠有力的优化创新，引导以及推动人类的生产实践活动的不断进步。重大工程结构（航空航天、能源、交通、信息与微电子、国防与武器装备）及其材料的可靠性、安全性是涉及直接影响到国民经济和社会的可持续发展、国防建设和国家安全、科技现代化的重大问题，因此，固体力学在航空航天领域的应用也遵循了这一逻辑。目前固体力学在航空航天领域的主要应用方面包括：
2.1 研究分析航空航天领域运行过程中的复杂问题
这一研究层面主要包括：①对航空航天飞行器以及空间结构的各个节点以及自由度进行模拟分析，这其中可能包括了多达数万个或者十余万个的节点或者自由度，每一个节点或者自由度均是一个单独具体研究问题；②针对飞行器运行过程中的关键问题的研究，例如飞行器发生高速碰撞（如与鸟撞击、载人航天器着陆时的撞击的问题）甚至坠毁的问题；③航空航天器的设计制造，例如弹射座椅、头盔、发动机，甚至装甲结构等；④航空航天领域磁场、热以及固体的耦合作用等[4-6]。
2.2 计算机数值模拟以及活化响应图像试验
通过使用计算机数值模拟以及活化响应图像等数值试验来对一些常规性的研究试验进行替代化的研究，具有多方面的应用优势。300多摄氏度到零下100多摄氏度温差的模拟、空间状态下的失重状态模拟以及各种高精尖设备的应用均给现实真实实验条件提出了巨大的挑战，甚至是不现实的，并且在克服了一系列难题后取得的实验结果可信度并不高，这就在很大程度上体现了数值试验的必要性以及唯一选择性。通过对航空航天过程中各个复杂环境固体力学环境的模拟，在虚拟条件下达到了真实环境下的试验需求，这就大大降低了研究的时间以及资金等方面的耗费。
2.3 逆问题（或者反问题）的应用研究
以结构特征控制方程“Ku=λMu”为例，给定结构刚度矩阵K和结构的几何刚度矩阵M。求证问题的特征值λ和特征模态u；而给定λ和u求证K和M，则是逆问题（或者反问题）
在实践需求中，工程力学对于正问题的兴趣远远不及逆问题。在航空航天领域，一个典型的逆问题的例子就是在确定飞行器的飞行轨迹的情况下对热保护层下的受力结构瞬态温度进行计算；还有在航空航天领域应用复合材料时，在模具设计阶段对不合适的形变进行预先的设计规避，使得复合材料的使用过程中达到预先设计等。
2.4 在主动控制技术领域的应用
主动控制技术（ACT）是一种综合自动控制相关理论、随动系统设计制造以及相关物理数学理论知识的技术，主要应用于航空航天领域的飞行稳定状态的优化完善、地形跟随或者回避等方面。主动控制系统通过传感器进行信息的搜集以及整合分析，然后传送给计算机处理系统，通过一系列的数据计算处理对现有情况进行分析，并将运算结果传统给控制处理器针对问题采取相应的应对措施，在这一过程中计算力学以及智能技术的发展水平直接关系到主动控制过程的速度、准确度以及精确度。
2.5 在随机过程中的应用
在生产实践过程中，人们传统学习意义上参数的精确定量，从而得到确定性的响应预估被证明是错误的，不具备可行性，尤其是结构安全问题研究过程中，这一研究方法被证明是极其危险的，研究人员通过研究发明了安全系数设计法，根据具体实际的环境或者结构参数对安全系数进行具体分析计算。例如，在航空航天领域，衬缺陷敏感的受轴压或外压的壳体稳定性和带裂纹结构的使用寿命的研究结果现实的巨大分散性就是一个典型例子。通过固体力学理论在随机过程中的应用，解决了困扰研究人员很久的疲劳寿命预估和裂纹扩展问题，对航空航天领域的发展具有极大推动意义[7-10]。
参考文献
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