北工業大學航空學院先進結構與材料研究所依託於西北工業大學固體力學國家重點學科,“動力學與強度”國家專業實驗室、“飛行器結構力學與強度技術”國防重點學科實驗室和教育部和國家外專局“結構力學行為科學與技術”創新引智基地。由老一輩力學科學家、航空教育家黃玉珊先生於上世紀六、七十年代奠定了基礎性研究工作。研究所前身為創建於1989年的西北工業大學衝擊動力學實驗室,現任所長李玉龍教授。
西北工業大學先進結構與材料研究所經過二十餘年的不懈努力,已發展成為一支以中青年學者為研究骨幹,新生力量蓬勃發展,年齡結構合理,活躍在國內外學術界,且具有很強創新力和凝聚力的研究團隊。研究所目前由具有高級職稱的10位中青年學者,5位講師/工程師,以及近30名在讀博士研究生,50餘名在讀碩士研究生構成。其中長江學者1名,引進教授1名,“百人計畫”引進教授1名,教育部新跨世紀優秀人才2名。團隊固定成員均具有博士學位,其中年齡最大的不超過55歲,最小的30歲。
西北工業大學先進結構與材料研究所繼承了西北工業大學在航空航天領域良好的研究基礎,以大型客機、大型運輸機和航空發動機等國家重大工程中面臨的衝擊動力學問題為背景,集中開展先進結構/材料衝擊動力學行為的研究工作,不斷發揮人才的綜合群體優勢,逐漸培養出一個知識結構和年齡層次合理的人才隊伍,形成了飛行器先進結構/材料衝擊動力學回響分析的基礎和創新研究平台。
1.西北工業大學先進結構與材料研究所組建意義
“大型飛機工程”作為中國科技戰略發展的16個重大專項之一已於2008年正式啟動。“航空發動機與燃氣輪機”國家科技重大專項也已列入“十二五”規劃正式立項,這兩大重大專項的實施涉及國家重大利益,是我國航空工業發展的一個歷史轉折點,將會對中國經濟和科技發展產生巨大的推動作用。然而大型飛機以及航空發動機的研製也是一個艱巨的歷史任務,其涉及技術之複雜,質量和安全性要求之高,涉及的經濟利益之大,使得這些項目同樣具有極高的風險性。
在我國大型飛機和航空發動機重大專項的研製過程中,結構安全性和動強度設計已成為先進飛機和發動機的一個重要標誌。隨著航空航天技術的發展,飛行器結構面臨著複雜的服役環境,例如:飛鳥、冰雹等離散源的撞擊、發動機葉片斷裂和機匣包容性設計、應急著陸和水上迫降等,嚴重影響著飛行器的安全。在這些過程中,飛行器結構和材料承受著瞬態、局部化衝擊載荷的作用,撞擊物和被撞目標均發生變形,這些問題屬於典型的衝擊動力學問題,也是飛行器結構動強度的關鍵問題之一。由於在衝擊載荷作用下,材料和結構的變形機理、破壞機制與準靜態、疲勞載荷作用下的情況完全不同,因此開展飛行器結構在衝擊載荷作用下的力學行為及破壞機理的研究對於飛行器結構抗墜撞設計至關重要。
自上世紀80年代以來,隨著對飛行器性能要求的日益提高,“材料-結構”一體化,“靜-動強度”一體化等新的設計思想被國外廣泛套用于飛行器結構設計階段。其中,“材料-結構”一體化設計要求在對材料力學行為和變形機制全面掌握的基礎上,根據結構承載特點,通過對材料微觀結構最佳化設計獲得滿足服役要求的結構材料,實現結構巨觀設計與材料微結構精細設計的統一;而“靜-動強度”一體化設計則是突破傳統飛機結構設計所採用的“靜強度設計-動強度校核”的設計流程,在結構設計階段就充分考慮承受動載荷要求。對結構及材料的衝擊動力學行為及其研究方法的掌握,是這些新的設計理念在飛行器結構設計過程中得到套用的基礎。
2、西北工業大學先進結構與材料研究所的主要研究方向
近年來,立足於提升我國飛行器結構動強度設計的研究目標,圍繞先進結構/材料衝擊動力學行為研究這一主線,基礎研究與工程套用並重,逐漸形成了三個互為補充的特色研究方向:
l 方向一:結構/材料衝擊動力學試驗技術與方法;
l 方向二:結構/材料的衝擊動力學行為;
l 方向三:結構鳥撞、墜撞分析、設計與驗證。
其中,結構/材料衝擊動力學試驗技術與方法著重解決材料高應變率下力學性能參數的測試方法,衝擊動力學相關試驗技術和方法,以及飛行器結構離散源撞擊地面模擬試驗驗證技術的研究等;結構/材料的衝擊動力學行為主要研究飛行器結構/材料及撞擊物高變形速率下的力學特性、變形機理和破壞機制,以及本構模型及其參數,以期為結構離散源撞擊/墜撞分析及抗墜撞分析、設計提供基本的材料動力學特性數據;結構離散源、墜撞分析、設計與驗證則側重於運用衝擊動力學理論和方法解決飛行器結構在墜撞載荷作用下的動強度設計問題,諸如鳥撞、墜毀等具體工程問題。