大连理工王博教授及团队：工程薄壳稳定性分析及设计

作者简介

王博，教授，博士生导师，国家杰出青年科学基金获得者，“结构强度与轻量化设计”国防科技创新团队负责人。担任工业装备结构分析优化与CAE软件全国重点实验室副主任、教育部科技委数理学部委员、中国力学学会理事、中国力学学会青年工作委员会副主任委员、中国力学学会固体力学专业委员会委员、中国航空学会数字孪生分会副主任委员、中国宇航学会飞行器总体专委会委员等。

在航空航天力学领域，主要研究方向包括结构强度与轻量化设计、结构与多学科优化、自主CAE软件研发、大型结构力学实验、结构强度数字孪生技术等。发表学术论文200余篇，入选爱思唯尔“中国高被引学者”榜单。获国家技术发明二等奖（第一完成人）、教育部技术发明奖一等奖（第一完成人）、中国科协求是杰出青年成果转化奖、科学探索奖、中国力学学会钱令希计算力学青年奖等。

薄壳是工程领域的关键承载部件，对其开展轻量化设计是高端装备研制的永恒主题。随着尺寸大型化、构型复杂化、承载重型化的发展趋势，薄壳结构模型规模、变量数目及非线性程度均大幅提升，导致其结构设计同时面临模型、分析与优化三重复杂度挑战，被认为是最复杂的结构优化难题之一。

壳体稳定性是力学和机械设计领域的重要研究课题。自1891 年Brain 提出平板面内受压屈曲问题开始，众多知名力学家如Lorenz、Timoshenko、von Mises等都为其发展做出了重要贡献。早期实验研究表明：薄壳轴压屈曲临界载荷的实验值远小于理论值。仅这一问题就长期困扰着学术界，并引发了长达半个多世纪的板壳稳定性研究浪潮，涌现出一批重要理论，如von Kármán 和钱学森提出了圆柱壳非线性稳定理论，Donnell 进一步发展了非线性大挠度理论，Koiter 引入初始缺陷敏感度概念并提出了初始后屈曲理论，Stein 提出了非线性前屈曲一致理论等。从文献来看，20 世纪70 年代，结构稳定性研究到达了高峰，正如Hutchinson 和Budiansky 在1979 年所言，“人人都热衷屈曲稳定性问题(Everyone loves a buckling problem.)”。国内众多力学前辈，如钱伟长、张维、钱令希、叶开沅、胡海昌、黄克智、刘人怀、郑晓静、周又和等力学家也为推动结构稳定性理论发展做出了贡献。

▲ 工程领域中典型薄壳结构示意图

近二十年来，各国在探索深空、深海需求牵动下竞相提出了大量工程计划，相应的航空、航天、航海装备大型化、结构设计精细化需求加大，装备受压承力结构大量使用了蒙皮桁条、网格加筋、泡沫夹层等相对于光壳复杂得多的工程薄壳结构，所采用的新材料体系应接不暇，壁面刚度、强度增强的薄壳结构方案更是复杂多样。这使得面向工程薄壳结构的稳定性研究又重新得到学术界和工程界的共同关注——老问题开新花，尤其是数值计算和结构实验技术的快速发展，更加丰富了这一领域的研究内涵和研究手段。

▲ 运载火箭复杂舱段优化设计“三重复杂度”难题

2007 年我在程耿东院士指导下博士毕业，工作后作为高校教师有幸参与了如“长征5 号”运载火箭等几个重要的新一代航天装备研制项目。当时，多位航天老专家和我讲，新型号火箭对轻质高承载提出的设计要求之高前所未有，不仅缺少新型高效的承力薄壳结构方案，更缺少有效的精细化设计手段。正是在这样的背景下，我和我后来指导的一批学生一起，在开展航天结构优化设计的十几年过程中，越来越深地走进了工程薄壳结构稳定性分析与设计理论和方法的研究，渐渐地在结构稳定性数值分析模型、折减因子精准确定、后屈曲优化设计、高精度稳定性实验、可靠性优化设计等方面取得了一些成果，国内外学者也开始关注我们的工作，一些重要的科研机构，如德国宇航中心、美国密歇根大学、美国南卡罗来纳大学等也主动与我们开展了合作。我们团队在这个方向上的研究特点是能够相对综合地在数值分析优化、实验分析验证和自主软件工具研发等多个角度开展工作，很多研究成果不仅在学术界产生了影响，更重要的是在航空航天领域得到了实际应用，帮助我们国家航天、航空总体设计单位解决了型号研制过程中的大量难题。

▲ 面向航空航天典型薄壁结构优化设计一体化方法

为了更好地向读者分享我们的研究成果，团队将十余年成果进行系统性的整理与提炼，分卷出版。已出版《工程薄壳稳定性（分析卷）》、《工程薄壳稳定性（设计卷）》。主要内容涵盖了工程薄壳稳定性数值分析、高效后屈曲分析、缺陷敏感性分析、考虑缺陷的结构稳定性设计、可靠性优化设计、高精度稳定性实验及相关设计软件等。未来，我们将结合更新的研究成果，尤其是工程设计遇到的实际问题，继续推出综合卷。

← 左右滑动查看 详细信息 →

除了两名主要助手郝鹏教授、田阔副教授做了较大贡献外，马祥涛副教授、杜凯繁高级工程师、毕祥军教授等，以及我指导的很多博士生、硕士生也为本书内容做出了贡献。另外，为呈现更多有前景的研究方向，我与李锐教授合作的基于辛力学框架的屈曲响应高效数值解、与天津科技大学李建宇教授合作的缺陷在失稳过程中的不确定性定量化等内容，也在书中以专门章节呈现。

王博教授带领团队针对航空航天装备研制中存在的实际问题与需求，深挖力学问题，建立了工程薄壳稳定性的高精度快速后屈曲数值分析与优化设计的理论和方法，完成了一批具有创新性的设计。该书系统总结了王博教授及团队十余年来在该领域辛勤耕耘获得的丰硕成果，全书具有三大特点：一是形成了“分析理论、设计方法、实验技术”的全方面总结，逻辑严密，形成了完整的学术链条；二是基础理论与工程实际问题高度结合，所研究的问题与案例来源于航空航天装备型号研制过程中的实际任务，具有很强的工程背景；三是兼顾了经典理论与创新方法、理论推导与软件工具，既可供相关专业人员作为理论学习参考，也可作为工程技术人员案头工具书。内容深入浅出，丰富详实，兼顾了不同学科读者的阅读习惯。

期望该书能够吸引更多的对于工程薄壳稳定性这一方向的关注，面向新材料、高新技术装备、计算机等领域迅猛发展的新需求，开展材料–结构一体化的创新研究，为我国先进装备设计制造高质量发展提供坚实的科技支撑。同时，相关技术的发展也能服务我国经济主战场，可推广至如商用客机、航空发动机、高铁和列车等系列民用重大装备的研制，这也是技术研发升级带动国民经济进步的有效手段。

程耿东

中国科学院院士

大连理工大学教授

本文摘编自《工程薄壳稳定性——分析卷》（王博, 郝鹏, 田阔著. 北京：科学出版社）一书“序”“前言”，有删减修改，标题为编者所加。

《工程薄壳稳定性（分析卷）》

王博, 郝鹏, 田阔著

ISBN 978-7-03-076503-1

责任编辑: 刘信力

本书作者及团队长期从事工程薄壳稳定性设计理论与方法研究，相关成果已应用于多型航空航天装备结构强度与轻量化设计。本书从工程薄壳高效线性屈曲/后屈曲分析方法、缺陷数据库、含缺陷工程薄壳承载力评估方法、高精度稳定性实验等方面，介绍了国内外研究现状以及团队代表性研究成果。

《工程薄壳稳定性（设计卷）》

王博, 郝鹏, 田阔著

ISBN 978-7-03-076568-0

责任编辑: 刘信力 杨 然

本书介绍了作者及其团队近年在工程薄壳创新构型优化设计方法、工程薄壳代理模型优化方法、曲筋变刚度结构优化设计方法、考虑缺陷的工程薄壳鲁棒性优化设计方法、后屈曲可靠度优化设计方法、工程薄壳稳定性分析与优化软件等研究成果，包含拓扑优化、代理模型优化、可靠性优化等方面的相关工作，并介绍了数据驱动的工程薄壳智能设计、工程薄壳等几何优化等前沿进展。

本书适用于高等院校力学、飞行器设计、机械设计相关专业教师及研究生、航空航天工程研制单位结构设计人员阅读使用。

（本文编辑：刘四旦）

一起阅读科学!

科学出版社│微信ID：sciencepress-cspm

专业品质 学术价值

原创好读 科学品位

科学出版社视频号

硬核有料 视听科学