[01577199]飞行器结构耐撞性理论与评价准则研究

飞行器结构的“耐撞性”，是一项应对意外坠机事故或控制飞行器“软”着陆的抗冲撞设计技术，涉及两个方面的核心内容：能量吸收材料与结构的设计及人体耐受性，前者是指能量吸收材料的选取和结构设计的优化使得在撞击发生时能够以可控的方式耗散能量，后者规定了传递到乘员身上载荷冲量的限制，即人体的忍受程度，对防护结构的能量吸收和缓冲特性的设计要求与其指标密切相关。发达国家已经把耐撞性作为飞行器初始设计阶段中与重量、载荷因子和疲劳寿命同等重要的关键目标来考虑。但遗憾的是，国内外“耐撞性”设计技术大都还停留在依赖坠撞试验的“经验型”设计阶段，究其原因是因为在这项技术中，还有许多与之相关的固体力学和冲击动力学重大基础问题没有解决。二十余年来，该项目成员在国家自然科学基金两个重点项目和系列面上项目支持下，对其关键科学问题开展了系统深入的合作研究，取得了一批原创性理论成果。主要发现点如下： (1)可变形结构的碰撞力学原理以及弹塑性波与结构响应和破坏的相互作用： 对弹塑性弯曲波的相互作用以及波与结构响应的关系进行了实验和理论研究，发现了反射弹性弯曲波阻碍塑性弯曲波的推进，从而在结构中形成高曲率区的力学机制；研究了可变形结构之间的碰撞问题，得到了考虑滑移破坏的解析形式的完全解，发现了耦合剪切滑移破坏的9区变形模式图，进一步研究了各种情形的耗散能瞬态分布和总体能量分配，揭示了撞击初期的变形特征。 (2)多胞材料和新型结构的能量吸收机理及失效机理：系统研究了具有优异能量吸收能力的多胞材料和新型结构的能量吸收机理及失效机理，揭示了与材料微细观结构相关的惯性效应和应变率效应的影响；分析了吸能材料、组合构件的几何构形以及多种构件的集成对吸能结构动力行为的影响，提出了基于坚实力学理论基础的结构耐撞性分析方法，为实用评价体系的建立提供了理论指导。 (3)创新地建立了系统、全面、完整定义能量吸收性能的评价指标体系，并指引新型吸能装置的概念性设计：该指标体系包括有效行程比、结构承载能力、单位重量的能量吸收能力、吸能有效率和载荷波动度等5个指标；就典型构件验证了该评价指标体系对结构耐撞能力的适用性和有效性，为轻质吸能装置的研制、优选以及飞行器耐撞性设计提供了量化依据，并引导了新型吸能装置的概念性设计。 该项目在重要国际学术刊物上发表论文80余篇，一批国际冲击动力学专家，包括该领域的国际著名科学家都对该项目发表的论文给与了实质性引用和正面评价。8篇代表性论文总他引用次数428次，SCI严格他引268次，部分成果曾获教育部自然科学一等奖，应邀在美国机械工程学会ASME Appl.Mech.Rev.和国际航空航天顶级期刊Pro.in Aero.Sciences上发表长篇综述。部分成果已成功指导了我国神州5号飞船座椅缓冲装置设计和嫦娥三号着陆缓冲机构设计等两个国家重大型号的相关研制工作。