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1、飛行器結構力學基礎電子教學教案,西北工業(yè)大學航空學院 航空結構工程系,第一章 緒論,一、結構力學的任務 結構力學顧名思義就是研究結構在外界因素作用下的力學行為及其組成規(guī)律。 因此，結構力學的研究對象是結構，其定義為： 結構是由結構元件或構件(如桿、梁、板等)通過某些連接方式(如螺接、鉚接、焊接、膠接等)組合起來的可以承受載荷和傳遞載荷的受力系統(tǒng)。,一、結構力學的任務 結構力學顧名思義就是研究結構在外界因素作用下的力學行為及其組成規(guī)律。,外界因素,,機械力,溫度變化：溫度變化導致元件伸長或縮短。,制造誤差：元件尺寸誤差、連接誤差。,,第一章 緒論,,,靜力,動力,,,靜力學,動力學,
2、本課程主要研究結構在靜力作用下的力學行為。采用的是靜力學平衡原理。,,,飛行器結構力學基礎,一、結構力學的任務 結構力學顧名思義就是研究結構在外界因素作用下的力學行為及其組成規(guī)律。,力學行為,,受力狀態(tài),變形狀態(tài),穩(wěn)定性,,第一章 緒論,,研究結構承受外界因素的能力，內(nèi)力分析或強度分析，目的是進行強度校核。,,研究結構在外界因素作用下抵抗變形的能力，變形分析或剛度分析，目的是進行剛度校核。,,研究結構局部失穩(wěn)或整體失穩(wěn)破壞，穩(wěn)定性分析。,飛行器結構力學基礎,一、結構力學的任務 結構力學顧名思義就是研究結構在外界因素作用下的力學行為及其組成規(guī)律。,組成規(guī)律,,第一章 緒論,研究受力系統(tǒng)中
3、結構元件之間的連接方式是否合理以及系統(tǒng)的組成規(guī)律，稱為結構幾何組成分析。 受力系統(tǒng)是否具有承受和傳遞載荷的能力，取決于系統(tǒng)中元件之間的連接方式的合理性。,飛行器結構力學基礎,一、結構力學的任務,本課程的教學任務是：,,第一章 緒論,研究結構的組成規(guī)律，以及在靜力載荷作用下結構的內(nèi)力和變形的計算方法和步驟,以計算方法為主。,飛行器結構力學基礎,,第一章 緒論,(飛行器結構力學),結構力學的應用：,,,飛行器結構力學基礎,,第一章 緒論,(土木與建筑結構力學),(橋梁結構力學),(船舶結構力學),結構力學的應用：,,,,飛行器結構力學基礎,,第一章 緒論,(水力學),(土力學，沙漠力學),非結構力
4、學類：,,,(風力學),,飛行器結構力學基礎,二、與其它相關課程的區(qū)別,先修課程：理論力學、材料力學、線性代數(shù)、 彈性力學等。,,第一章 緒論,研究質(zhì)點、質(zhì)點系或剛體在外力作用下的平衡及運動規(guī)律（靜力學、動力學）。,理論力學,研究結構元件（簡單結構）在外力作用下的內(nèi)力、變形和穩(wěn)定性計算，元件剖面的合理選擇，元件材料選擇，元件破壞理論等。,材料力學,研究由結構元件組成的復雜結構在外力作用下的內(nèi)力和變形計算。,結構力學,飛行器結構力學基礎,二、與其它相關課程的區(qū)別,,第一章 緒論,(1)細長桿件，桿件的橫截面尺寸遠小于桿件的縱向尺寸； (2)薄板，板的厚度遠小于板的橫向和縱向尺寸。 采用了
5、平截面假設。,材料力學，結構力學,研究連續(xù)體在外力作用下的內(nèi)力和變形計算。引入的假設條件較少，結果更為精確，可認為是理論解。,彈性力學,什么是平截面假設呢？,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,實際結構,計算模型,合理簡化,,,計算模型的簡化原則： 力求反映實際結構的主要受力和變形特征； 力求便于結構的力學行為分析。,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,可以從以下5個方面進行簡化：,1. 外載荷的簡化 （1）略去對結構力學行為影響不大的外載荷，著重考慮起主 要作用的外載荷。 （2）將作用面積很小的分布載荷等效地簡化為集中載荷。 （3）將載荷梯
6、度變化不大的分布載荷簡化為均布載荷。 （4）將動力效應不大的動力載荷簡化為靜力載荷。,例如：將作用在飛機機翼表面上的氣動分布載荷，等效地簡化為作用在計算模型的各個結點上的集中載荷。,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,2. 幾何形狀的簡化 (1)用若干折線代替曲線，用若干平面代替曲面。 (2)對錐度不大的物體，用無錐度體代替有錐度體。,飛行器結構力學基礎,圖(a)機身圓形框，可以簡化為由若干段直梁所組成的受力模型,圖(b)機翼，可以簡化為由若干個盒式結構組成的受力模型,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,3. 受力系統(tǒng)的簡化 （1）略去系統(tǒng)中不受力或受力不大的元件。
7、 （2）對結構元件的受力規(guī)律或受力類型作某 些假設，抽象為理想化的元件。,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,承受彎矩和剪力作用的平面梁，可以簡化為雙緣條薄壁梁。該模型中有兩類元件，一類是只承受軸力的桿，一類是只承受剪力的板，元件受力形式得到簡化。,例如,,桿-板模型,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,4. 元件連接關系的簡化（內(nèi)部連接） 按照結構元件之間連接處的受力與構造特點，將元件之間的連接關系簡化為： 不計摩擦的鉸接 、剛接 或 滑接,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,鉸接,被連接的元件在鉸接點處，不
8、能發(fā)生相對移動，但可以繞鉸接點發(fā)生自由轉動（夾角發(fā)生改變）。,用符號 表示鉸接， 也稱為鉸結點。,,因此，鉸接可以傳遞力，但不能傳遞力矩。,,,鉸接的力學特征：,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,剛接,被連接的元件在剛接點處，即不能發(fā)生相對移動，也不能繞剛接點發(fā)生相對轉動。,將剛性連接處涂黑來表示剛接， 也稱為剛結點。,因此，剛接即可以傳遞力，也可以傳遞力矩。,,,夾角保持不變,,剛接的力學特征：,,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,組合結點,在同一結點處，某些元件采用剛接，某些元件采用鉸接，形成組合結點。,剛接鉸接,組合結點具有鉸結點和剛
9、結點的力學特征，,組合結點的力學特征：,,元件A、B采用剛接，元件C采用鉸接,,,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,5、支座的簡化（外部連接） 支座：連接結構于基礎或其它支承物的裝置。,可動鉸支座 支座可分為 固定鉸支座 固定支座（或稱固持） 定向支座,,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,可動鉸支座,結構具有繞鉸A的轉動及平行于基礎平面方向的平動，但在垂直于基礎平面方向上不能發(fā)生平動。 相當于限制了結構的一個平動。,可動鉸支座的幾何特征：,,,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,固定鉸支座,結構具
10、有繞鉸A的轉動，但沒有平行于基礎平面方向和垂直于基礎平面方向上的平動。 平面固定鉸支座相當于限制了結構的兩個平動。 空間固定鉸支座相當于限制了結構的三個平動。,固定鉸支座的幾何特征：,,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,固定支座（固持）,結構在固持端A處無平動和轉動。 相當于限制了結構在A處的所有平動和所有轉動。,固定支座的幾何特征：,飛行器結構力學基礎,三、結構力學的計算模型,,第一章 緒論,定向支座,結構只發(fā)生平行于基礎平面一個方向的平動，無轉動。 相當于限制了結構繞A的轉動和其它方向的平動。,定向支座的幾何特征：,飛行器結構力學基礎,四、結構的分類,,第一章 緒
11、論,常見的結構力學的計算模型有5種。,組成桁架的結構元件是細長直桿，即桿的橫截面尺寸遠小于其長度。 各桿之間均采用無摩擦的鉸（鉸結點）相連。 載荷只能作用在位于桿兩端的鉸結點上。,1. 桁架,飛行器結構力學基礎,四、結構的分類,,第一章 緒論,組成剛架的結構元件是細長直桿或曲桿。 桿件之間采用剛性連接。 外載荷可以作用在桿件的任何部位。,2. 剛架,飛行器結構力學基礎,四、結構的分類,,第一章 緒論,3. 薄壁結構,厚度比長度及寬度小得多的結構，它是飛行器結構中用得最多的一種形式。組成薄壁的結構元件是桿(直桿或曲桿)和板(直板或曲板) 。 在飛行器結構中，薄壁結構是指由構件(梁、緣條、桁粱、桁
12、條、肋、隔框)及蒙皮所構成的受力系統(tǒng)。,機翼盒段計算模型,機身某段計算模型,飛行器結構力學基礎,四、結構的分類,,第一章 緒論,4. 整體結構,整體結構通常是由機械銑切或化學腐蝕加工而成。,先進的機身整體加筋結構 (整體加筋板+整體框),常規(guī)組裝的機身結構 (蒙皮+筋條+組合框),飛行器結構力學基礎,,第一章 緒論,四、結構的分類,4. 整體結構,機身上部整體加筋板概念,常規(guī)加筋結構與整體加筋結構等效示意圖,,,飛行器結構力學基礎,四、結構的分類,,第一章 緒論,由上述各種結構模式混合組成。,5. 混合結構,飛機起落架簡化模型,梁元件與桿元件混合,飛行器結構力學基礎,五、結構的外載荷、內(nèi)力和支
13、座反力,,第一章 緒論,1. 外載荷,作用在結構上的已知的力，包括線力和力矩。,線力,集中力 線分布力 面分布力,力矩,集中力矩(力偶) 線分布力矩 面分布力矩,,,飛行器結構力學基礎,五、結構的外力、內(nèi)力、支座反力,,第一章 緒論,2. 內(nèi)力,指結構元件上的力，用于維持元件的平衡和變形協(xié)調(diào)。不同的元件，有不同形式的元件力。,(1)兩端帶鉸的直桿，也稱為二力桿。它是組成桁架的主要元件。 只承受沿桿軸線的力，稱為桿軸力。,桿軸線,,,飛行器結構力學基礎,五、結構的外力、內(nèi)力、支座反力,,第一章 緒論,2. 內(nèi)力,(2) 梁：它是組成剛架的主要元件。 在梁的任意一個橫截面上，均承受軸力、剪力、彎矩
14、、扭矩。,,,,x,y,z,空間梁,,,z,y,平面梁,x,飛行器結構力學基礎,五、結構的外力、內(nèi)力、支座反力,,第一章 緒論,3. 支座反力(支反力),傳遞到支座上的力或支座對結構的反力。支反力用于平衡結構外載荷，維持結構整體平衡。,活動鉸支座,平面固定鉸支座,空間固定鉸支座提供多少支反力？,飛行器結構力學基礎,五、結構的外力、內(nèi)力、支座反力,,第一章 緒論,3. 支座反力(支反力),平面固定支座,平面定向支座,空間固定支座提供多少支反力？,飛行器結構力學基礎,六、基本關系和基本假設,,第一章 緒論,（1）平衡關系,1. 基本關系,作用在結構上的力是平衡的，結構系統(tǒng)中的所有元件也是平衡的。,（2）協(xié)調(diào)關系,結構發(fā)生變形時，各個元件之間的變形是協(xié)調(diào)的。,（3）物理關系,元件的力和位移之間，滿足材料的物理性質(zhì)。,結構力學的原理和計算方法均是基于這三種基本關系而建立的。,飛行器結構力學基礎,六、基本關系和基本假設,,第一章 緒論,（1）小變形假設,2. 基本假設,結構在外載荷作用下的變形與幾何尺寸相比很小。建立力的平衡方程時，可以不考慮變形對結構幾何關系的影響。,（2）線彈性假設,結構在載荷作用下會產(chǎn)生內(nèi)力和變形，當載荷卸調(diào)后，內(nèi)力和變形也隨之消失，結構恢復到原始狀態(tài)，無殘余變形(彈性體)。 并且力與變形之間是線性關系，即符合虎克定律(線彈性體) 。,飛行器結構力學基礎,
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