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1、飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础电子教学教案电子教学教案西北工业大学航空学院西北工业大学航空学院航空结构工程系航空结构工程系第一章第一章 绪论绪论一、结构力学的任务一、结构力学的任务 结构力学顾名思义就是研究结构力学顾名思义就是研究结构结构在在外界因外界因素素作用下的作用下的力学行为力学行为及其及其组成规律组成规律。因此，结构力学的研究对象是因此，结构力学的研究对象是结构结构，其定义为：，其定义为：结构结构是由是由结构元件或构件结构元件或构件(如杆、梁、板等如杆、梁、板等)通过某些通过某些连接方式连接方式(如螺接、铆接、焊接、胶接等如螺接、铆接、焊接、胶接等)组合起来的组合起来的可以可以承
2、受载荷和传递载荷的受力系统承受载荷和传递载荷的受力系统。一、结构力学的任务一、结构力学的任务 结构力学顾名思义就是研究结构力学顾名思义就是研究结构结构在在外界外界因素因素作用下的作用下的力学行为力学行为及其及其组成规律组成规律。外界外界因素因素机械力机械力温度变化：温度变化导致元件伸长或缩短。温度变化：温度变化导致元件伸长或缩短。制造误差：元件尺寸误差、连接误差。制造误差：元件尺寸误差、连接误差。第一章第一章 绪论绪论 静力静力动力动力静力学静力学动力学动力学本课程主要研究结构在静力作用下的力学行为。本课程主要研究结构在静力作用下的力学行为。采用的是静力学平衡原理。采用的是静力学平衡原理。飞行
3、器结构力学基础飞行器结构力学基础一、结构力学的任务一、结构力学的任务 结构力学顾名思义就是研究结构力学顾名思义就是研究结构结构在在外界外界因素因素作用下的作用下的力学行为力学行为及其及其组成规律组成规律。力学力学行为行为受力状态受力状态变形状态变形状态稳定性稳定性第一章第一章 绪论绪论 研究结构承受外界因素的能研究结构承受外界因素的能力，力，内力分析或强度分析内力分析或强度分析，目的是进行强度校核。目的是进行强度校核。研究结构在外界因素作用下研究结构在外界因素作用下抵抗变形的能力，抵抗变形的能力，变形分析变形分析或刚度分析或刚度分析，目的是进行刚，目的是进行刚度校核。度校核。研究结构局部失稳或
4、整体失研究结构局部失稳或整体失稳破坏，稳破坏，稳定性分析稳定性分析。飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础一、结构力学的任务一、结构力学的任务 结构力学顾名思义就是研究结构力学顾名思义就是研究结构结构在在外界外界因素因素作用下的作用下的力学行为力学行为及其及其组成规律组成规律。组成规律组成规律第一章第一章 绪论绪论 研究受力系统中结构元件之间的连研究受力系统中结构元件之间的连接方式是否合理以及系统的组成规接方式是否合理以及系统的组成规律，称为律，称为结构几何组成分析。结构几何组成分析。受力系统是否具有承受和传递载荷受力系统是否具有承受和传递载荷的能力，取决于系统中元件之间的的能力，取决于系统中元
5、件之间的连接方式的合理性。连接方式的合理性。飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础一、结构力学的任务一、结构力学的任务本课程的教学任务是：本课程的教学任务是：第一章第一章 绪论绪论 研究结构的组成规律，以及在静力载荷研究结构的组成规律，以及在静力载荷作用下结构的内力和变形的计算方法和步骤作用下结构的内力和变形的计算方法和步骤,以计算方法为主。以计算方法为主。飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础第一章第一章 绪论绪论(飞行器结构力学飞行器结构力学)结构力学的应用：结构力学的应用：飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础第一章第一章 绪论绪论(土木与建筑结构力学土木与建筑结构力学)(桥梁结构力学桥梁结构
6、力学)(船舶结构力学船舶结构力学)结构力学的应用：结构力学的应用：飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础第一章第一章 绪论绪论(水力学水力学)(土力学，沙漠力学土力学，沙漠力学)非结构力学类：非结构力学类：(风力学风力学)飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础二、与其它相关课程的区别二、与其它相关课程的区别先修课程：先修课程：理论力学、材料力学、线性代数、理论力学、材料力学、线性代数、弹性力学等。弹性力学等。第一章第一章 绪论绪论 研究质点、质点系或刚体在外力作用下的平衡研究质点、质点系或刚体在外力作用下的平衡及运动规律（静力学、动力学）。及运动规律（静力学、动力学）。理论力学理论力学研究结构元件
7、（简单结构）在外力作用下的内研究结构元件（简单结构）在外力作用下的内力、变形和稳定性计算，元件剖面的合理选择，力、变形和稳定性计算，元件剖面的合理选择，元件材料选择，元件破坏理论等。元件材料选择，元件破坏理论等。材料力学材料力学研究由结构元件组成的复杂结构在外力作用下研究由结构元件组成的复杂结构在外力作用下的内力和变形计算。的内力和变形计算。结构力学结构力学飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础二、与其它相关课程的区别二、与其它相关课程的区别第一章第一章 绪论绪论(1)细长杆件，杆件的横截面尺寸远小于杆件的纵向尺寸；细长杆件，杆件的横截面尺寸远小于杆件的纵向尺寸；(2)薄板，板的厚度远小于板的横
8、向和纵向尺寸。薄板，板的厚度远小于板的横向和纵向尺寸。采用了平截面假设。采用了平截面假设。材料力学，结构力学材料力学，结构力学研究连续体在外力作用下的内力和变形计算。引入的假设条研究连续体在外力作用下的内力和变形计算。引入的假设条件较少，结果更为精确，可认为是理论解。件较少，结果更为精确，可认为是理论解。弹性力学弹性力学什么是平截面假设呢？什么是平截面假设呢？飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 实际结构实际结构计算模型计算模型合理合理简化简化计算模型的简化原则：计算模型的简化原则：力求反映实际结构的主要受力和变形特征；力求反映
9、实际结构的主要受力和变形特征；力求便于结构的力学行为分析。力求便于结构的力学行为分析。飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 可以从以下可以从以下5个方面进行简化：个方面进行简化：1.外载荷的简化外载荷的简化（1）略去对结构力学行为影响不大的外载荷，着重考虑起主）略去对结构力学行为影响不大的外载荷，着重考虑起主 要作用的外载荷。要作用的外载荷。（2）将作用面积很小的分布载荷等效地简化为集中载荷。）将作用面积很小的分布载荷等效地简化为集中载荷。（3）将载荷梯度变化不大的分布载荷简化为均布载荷。）将载荷梯度变化不大的分布载荷简化为均布
10、载荷。（4）将动力效应不大的动力载荷简化为静力载荷。）将动力效应不大的动力载荷简化为静力载荷。例如：将作用在飞机机翼表面上的气动分布载荷，等效地简化例如：将作用在飞机机翼表面上的气动分布载荷，等效地简化为作用在计算模型的各个结点上的集中载荷。为作用在计算模型的各个结点上的集中载荷。飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 2.几何形状的简化几何形状的简化(1)用若干折线代替曲线，用若干平面代替曲面。用若干折线代替曲线，用若干平面代替曲面。(2)对锥度不大的物体，用无锥度体代替有锥度体。对锥度不大的物体，用无锥度体代替有锥度体。飞行器
11、结构力学基础飞行器结构力学基础图图(a)机身圆形框，可以简化为由若机身圆形框，可以简化为由若干段直梁所组成的受力模型干段直梁所组成的受力模型 图图(b)机翼，可以简化为由若干个盒式结机翼，可以简化为由若干个盒式结构组成的受力模型构组成的受力模型 三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 3.受力系统的简化受力系统的简化（1）略去系统中不受力或受力不大的元件。）略去系统中不受力或受力不大的元件。（2）对结构元件的受力规律或受力类型作某）对结构元件的受力规律或受力类型作某 些假设，抽象为理想化的元件。些假设，抽象为理想化的元件。飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构
12、力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 承受弯矩和剪力作用的平面梁，可以简化为双缘条承受弯矩和剪力作用的平面梁，可以简化为双缘条薄壁梁。该模型中有两类元件，一类是只承受轴力薄壁梁。该模型中有两类元件，一类是只承受轴力的杆，一类是只承受剪力的板，元件受力形式得到的杆，一类是只承受剪力的板，元件受力形式得到简化。简化。例如例如杆杆-板模型板模型飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 4.元件连接关系的简化（内部连接）元件连接关系的简化（内部连接）按照结构元件之间连接处的受力与构造特按照结构元件之间连接处的受力与构造
13、特点，将元件之间的连接关系简化为：点，将元件之间的连接关系简化为：不计摩擦的不计摩擦的铰接铰接、刚接刚接 或或 滑接滑接飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 铰接铰接被连接的元件在铰接点处，不能发被连接的元件在铰接点处，不能发生相对移动，但可以绕铰接点发生生相对移动，但可以绕铰接点发生自由转动（夹角发生改变）。自由转动（夹角发生改变）。用符号用符号 表示铰接，表示铰接，也称为铰结点。也称为铰结点。因此，铰接可以传递力，但不能传因此，铰接可以传递力，但不能传递力矩。递力矩。铰接的力学特征：铰接的力学特征：飞行器结构力学基础飞行器结
14、构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 刚接刚接被连接的元件在刚接点处，即不被连接的元件在刚接点处，即不能发生相对移动，也不能绕刚接能发生相对移动，也不能绕刚接点发生相对转动。点发生相对转动。将刚性连接处将刚性连接处涂黑涂黑来表示刚接，来表示刚接，也称为刚结点。也称为刚结点。因此，刚接即可以传递力，也可因此，刚接即可以传递力，也可以传递力矩。以传递力矩。夹角保持不变夹角保持不变刚接的力学特征：刚接的力学特征：飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 组合结点组合结点在同一结点处，某些元件采用刚在
15、同一结点处，某些元件采用刚接，某些元件采用铰接，形成组接，某些元件采用铰接，形成组合结点。合结点。刚接铰接刚接铰接组合结点具有铰结点和刚结点的组合结点具有铰结点和刚结点的力学特征，力学特征，组合结点的力学特征：组合结点的力学特征：元件元件A、B采用刚接，采用刚接，元件元件C采用铰接采用铰接飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 5、支座的简化（外部连接）、支座的简化（外部连接）支座支座：连接结构于基础或其它支承物的装置。：连接结构于基础或其它支承物的装置。可动铰支座可动铰支座支座可分为支座可分为 固定铰支座固定铰支座 固定支座（或
16、称固持）固定支座（或称固持）定向支座定向支座飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 可动铰支座可动铰支座结构具有绕铰结构具有绕铰A的转动及平的转动及平行于基础平面方向的平动，行于基础平面方向的平动，但在垂直于基础平面方向上但在垂直于基础平面方向上不能发生平动。不能发生平动。相当于限制了结构的一个平相当于限制了结构的一个平动。动。可动铰支座的几何特征：可动铰支座的几何特征：飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 固定铰支座固定铰支座结构具有绕铰结构具有绕铰A的转动，但没
17、有的转动，但没有平行于基础平面方向和垂直于基平行于基础平面方向和垂直于基础平面方向上的平动。础平面方向上的平动。平面固定铰支座相当于限制了结平面固定铰支座相当于限制了结构的两个平动。构的两个平动。空间固定铰支座相当于限制了结空间固定铰支座相当于限制了结构的三个平动。构的三个平动。固定铰支座的几何特征：固定铰支座的几何特征：飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 固定支座（固持）固定支座（固持）结构在固持端结构在固持端A处无平动和处无平动和转动。转动。相当于限制了结构在相当于限制了结构在A处的处的所有平动和所有转动。所有平动和所有转
18、动。固定支座的几何特征：固定支座的几何特征：飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础三、结构力学的计算模型三、结构力学的计算模型第一章第一章 绪论绪论 定向支座定向支座结构只发生平行于基础平面结构只发生平行于基础平面一个方向的平动，无转动。一个方向的平动，无转动。相当于限制了结构绕相当于限制了结构绕A的转的转动和其它方向的平动。动和其它方向的平动。定向支座的几何特征：定向支座的几何特征：飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础四、结构的分类四、结构的分类第一章第一章 绪论绪论 常见的结构力学的计算模型有常见的结构力学的计算模型有5种。种。组成桁架的结构元件是组成桁架的结构元件是细长直杆，即杆的横截细长
19、直杆，即杆的横截面尺寸远小于其长度。面尺寸远小于其长度。各杆之间均采用无摩擦各杆之间均采用无摩擦的铰（铰结点）相连。的铰（铰结点）相连。载荷只能作用在位于杆载荷只能作用在位于杆两端的铰结点上。两端的铰结点上。1.桁架桁架飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础四、结构的分类四、结构的分类第一章第一章 绪论绪论 组成刚架的结构元件组成刚架的结构元件是细长直杆或曲杆。是细长直杆或曲杆。杆件之间采用刚性连杆件之间采用刚性连接。接。外载荷可以作用在杆外载荷可以作用在杆件的任何部位。件的任何部位。2.刚架刚架飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础四、结构的分类四、结构的分类第一章第一章 绪论绪论 3.薄壁结构
20、薄壁结构厚度比长度及宽度小得多厚度比长度及宽度小得多的结构，它是飞行器结构的结构，它是飞行器结构中用得最多的一种形式。中用得最多的一种形式。组成薄壁的结构元件是杆组成薄壁的结构元件是杆(直杆或曲杆直杆或曲杆)和板和板(直板直板或曲板或曲板)。在飞行器结构中，薄壁结在飞行器结构中，薄壁结构是指由构件构是指由构件(梁、缘条、梁、缘条、桁粱、桁条、肋、隔框桁粱、桁条、肋、隔框)及蒙皮所构成的受力系统。及蒙皮所构成的受力系统。机翼盒段计算模型机翼盒段计算模型 机身某段计算模型机身某段计算模型 飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础四、结构的分类四、结构的分类第一章第一章 绪论绪论 4.整体结构整体结构整
21、体结构通常是由机械铣切或化学腐蚀加工而成。整体结构通常是由机械铣切或化学腐蚀加工而成。先进的机身整体加筋结构先进的机身整体加筋结构(整体加筋板整体加筋板+整体框整体框)常规组装的机身结构常规组装的机身结构(蒙皮蒙皮+筋条筋条+组合框组合框)飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础第一章第一章 绪论绪论 四、结构的分类四、结构的分类4.整体结构整体结构 机身上部整体加筋板概念机身上部整体加筋板概念 常规加筋结构与整体加筋结构等效示意图常规加筋结构与整体加筋结构等效示意图飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础四、结构的分类四、结构的分类第一章第一章 绪论绪论 由上述各种结构模式由上述各种结构模式混合组成
22、。混合组成。5.混合结构混合结构飞机起落架简化模型飞机起落架简化模型梁元件与杆元件混合梁元件与杆元件混合飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础五、结构的外载荷、内力和支座反力五、结构的外载荷、内力和支座反力第一章第一章 绪论绪论 1.外载荷外载荷作用在结构上的已知的力，包括作用在结构上的已知的力，包括线力线力和和力矩力矩。线力线力集中力集中力线分布力线分布力面分布力面分布力力矩力矩集中力矩集中力矩(力偶力偶)线分布力矩线分布力矩面分布力矩面分布力矩飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础五、结构的外力、内力、支座反力五、结构的外力、内力、支座反力第一章第一章 绪论绪论 2.内力内力指结构元件上的力，
23、用于维持元件的平衡和变指结构元件上的力，用于维持元件的平衡和变形协调。不同的元件，有不同形式的元件力。形协调。不同的元件，有不同形式的元件力。(1)两端带铰的直杆，也两端带铰的直杆，也称为称为二力杆二力杆。它是组成桁。它是组成桁架的主要元件。架的主要元件。只承受沿杆轴线的力，称只承受沿杆轴线的力，称为杆轴力。为杆轴力。杆轴线杆轴线飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础五、结构的外力、内力、支座反力五、结构的外力、内力、支座反力第一章第一章 绪论绪论 2.内力内力(2)梁：梁：它是组成刚架的主要元件。它是组成刚架的主要元件。在梁的任意一个横截面上，均承受轴力、剪力、弯矩、在梁的任意一个横截面上，均
24、承受轴力、剪力、弯矩、扭矩。扭矩。xyz空间梁空间梁zy平面梁平面梁x飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础五、结构的外力、内力、支座反力五、结构的外力、内力、支座反力第一章第一章 绪论绪论 3.支座反力支座反力(支反力支反力)传递到支座上的力或支座对结构的反力。支反力用传递到支座上的力或支座对结构的反力。支反力用于平衡结构外载荷，维持结构整体平衡。于平衡结构外载荷，维持结构整体平衡。活动铰支座活动铰支座平面固定铰支座平面固定铰支座空间固空间固定铰支定铰支座提供座提供多少支多少支反力？反力？飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础五、结构的外力、内力、支座反力五、结构的外力、内力、支座反力第一章第一
25、章 绪论绪论 3.支座反力支座反力(支反力支反力)平面固定支座平面固定支座平面定向支座平面定向支座空间固定支座提空间固定支座提供多少支反力？供多少支反力？飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础六、基本关系和基本假设六、基本关系和基本假设第一章第一章 绪论绪论（1）平衡关系）平衡关系1.基本关系基本关系作用在结构上的力是平衡的，结构系作用在结构上的力是平衡的，结构系统中的所有元件也是平衡的。统中的所有元件也是平衡的。（2）协调关系）协调关系结构发生变形时，各个元件之间的变结构发生变形时，各个元件之间的变形是协调的。形是协调的。（3）物理关系）物理关系元件的力和位移之间，满足材料的物元件的力和位移之
26、间，满足材料的物理性质。理性质。结构力学的原理和计算方法均是基于这三种基本关系结构力学的原理和计算方法均是基于这三种基本关系而建立的。而建立的。飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础六、基本关系和基本假设六、基本关系和基本假设第一章第一章 绪论绪论（1）小变形假设）小变形假设2.基本假设基本假设结构在外载荷作用下的变形与几何尺结构在外载荷作用下的变形与几何尺寸相比很小。建立力的平衡方程时，寸相比很小。建立力的平衡方程时，可以不考虑变形对结构几何关系的影可以不考虑变形对结构几何关系的影响。响。（2）线弹性假设）线弹性假设结构在载荷作用下会产生内力和变形，结构在载荷作用下会产生内力和变形，当载荷卸调后，内力和变形也随之消当载荷卸调后，内力和变形也随之消失，结构恢复到原始状态，无残余变失，结构恢复到原始状态，无残余变形形(弹性体弹性体)。并且力与变形之间是线性关系，即符并且力与变形之间是线性关系，即符合虎克定律合虎克定律(线弹性体线弹性体)。飞行器结构力学基础飞行器结构力学基础