西工大飞行器结构力学电子教案

飞行器结构力学基础电子教学教案,西北工业大学航空学院航空结构工程系,第一章绪论,一、结构力学的任务结构力学顾名思义就是研究结构在外界因素作用下的力学行为及其组成规律。因此，结构力学的研究对象是结构，其定义为：结构是由结构元件或构件(如杆、梁、板等)通过某些连接方式(如螺接、铆接、焊接、胶接等)组合起来的可以承受载荷和传递载荷的受力系统。,一、结构力学的任务结构力学顾名思义就是研究结构在外界因素作用下的力学行为及其组成规律。,外界因素,机械力,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。,第一章绪论,静力,动力,静力学,动力学,本课程主要研究结构在静力作用下的力学行为。采用的是静力学平衡原理。,飞行器结构力学基础,一、结构力学的任务结构力学顾名思义就是研究结构在外界因素作用下的力学行为及其组成规律。,力学行为,受力状态,变形状态,稳定性,第一章绪论,研究结构承受外界因素的能力，内力分析或强度分析，目的是进行强度校核。,研究结构在外界因素作用下抵抗变形的能力，变形分析或刚度分析，目的是进行刚度校核。,研究结构局部失稳或整体失稳破坏，稳定性分析。,飞行器结构力学基础,一、结构力学的任务结构力学顾名思义就是研究结构在外界因素作用下的力学行为及其组成规律。,组成规律,第一章绪论,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律，称为结构几何组成分析。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连接方式的合理性。,飞行器结构力学基础,一、结构力学的任务,本课程的教学任务是：,第一章绪论,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,以计算方法为主。,飞行器结构力学基础,第一章绪论,(飞行器结构力学),结构力学的应用：,飞行器结构力学基础,第一章绪论,(土木与建筑结构力学),(桥梁结构力学),(船舶结构力学),结构力学的应用：,飞行器结构力学基础,第一章绪论,(水力学),(土力学，沙漠力学),非结构力学类：,(风力学),飞行器结构力学基础,二、与其它相关课程的区别,先修课程：理论力学、材料力学、线性代数、弹性力学等。,第一章绪论,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）。,理论力学,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，元件材料选择，元件破坏理论等。,材料力学,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。,结构力学,飞行器结构力学基础,二、与其它相关课程的区别,第一章绪论,(1)细长杆件，杆件的横截面尺寸远小于杆件的纵向尺寸；(2)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。,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。引入的假设条件较少，结果更为精确，可认为是理论解。,弹性力学,什么是平截面假设呢？,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,实际结构,计算模型,合理简化,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；力求便于结构的力学行为分析。,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,可以从以下5个方面进行简化：,1.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。（3）将载荷梯度变化不大的分布载荷简化为均布载荷。（4）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,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,2.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。(2)对锥度不大的物体，用无锥度体代替有锥度体。,飞行器结构力学基础,图(a)机身圆形框，可以简化为由若干段直梁所组成的受力模型,图(b)机翼，可以简化为由若干个盒式结构组成的受力模型,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,3.受力系统的简化（1）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些假设，抽象为理想化的元件。,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,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，一类是只承受轴力的杆，一类是只承受剪力的板，元件受力形式得到简化。,例如,杆-板模型,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,4.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点，将元件之间的连接关系简化为：不计摩擦的铰接、刚接或滑接,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,铰接,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自由转动（夹角发生改变）。,用符号表示铰接，也称为铰结点。,因此，铰接可以传递力，但不能传递力矩。,铰接的力学特征：,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,刚接,被连接的元件在刚接点处，即不能发生相对移动，也不能绕刚接点发生相对转动。,将刚性连接处涂黑来表示刚接，也称为刚结点。,因此，刚接即可以传递力，也可以传递力矩。,夹角保持不变,刚接的力学特征：,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,组合结点,在同一结点处，某些元件采用刚接，某些元件采用铰接，形成组合结点。,刚接铰接,组合结点具有铰结点和刚结点的力学特征，,组合结点的力学特征：,元件A、B采用刚接，元件C采用铰接,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,5、支座的简化（外部连接）支座：连接结构于基础或其它支承物的装置。,可动铰支座支座可分为固定铰支座固定支座（或称固持）定向支座,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,可动铰支座,结构具有绕铰A的转动及平行于基础平面方向的平动，但在垂直于基础平面方向上不能发生平动。相当于限制了结构的一个平动。,可动铰支座的几何特征：,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,固定铰支座,结构具有绕铰A的转动，但没有平行于基础平面方向和垂直于基础平面方向上的平动。平面固定铰支座相当于限制了结构的两个平动。空间固定铰支座相当于限制了结构的三个平动。,固定铰支座的几何特征：,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,固定支座（固持）,结构在固持端A处无平动和转动。相当于限制了结构在A处的所有平动和所有转动。,固定支座的几何特征：,飞行器结构力学基础,三、结构力学的计算模型,第一章绪论,定向支座,结构只发生平行于基础平面一个方向的平动，无转动。相当于限制了结构绕A的转动和其它方向的平动。,定向支座的几何特征：,飞行器结构力学基础,四、结构的分类,第一章绪论,常见的结构力学的计算模型有5种。,组成桁架的结构元件是细长直杆，即杆的横截面尺寸远小于其长度。各杆之间均采用无摩擦的铰（铰结点）相连。载荷只能作用在位于杆两端的铰结点上。,1.桁架,飞行器结构力学基础,四、结构的分类,第一章绪论,组成刚架的结构元件是细长直杆或曲杆。杆件之间采用刚性连接。外载荷可以作用在杆件的任何部位。,2.刚架,飞行器结构力学基础,四、结构的分类,第一章绪论,3.薄壁结构,厚度比长度及宽度小得多的结构，它是飞行器结构中用得最多的一种形式。组成薄壁的结构元件是杆(直杆或曲杆)和板(直板或曲板)。在飞行器结构中，薄壁结构是指由构件(梁、缘条、桁粱、桁条、肋、隔框)及蒙皮所构成的受力系统。,机翼盒段计算模型,机身某段计算模型,飞行器结构力学基础,四、结构的分类,第一章绪论,4.整体结构,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(整体加筋板+整体框),常规组装的机身结构(蒙皮+筋条+组合框),飞行器结构力学基础,第一章绪论,四、结构的分类,4.整体结构,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,飞行器结构力学基础,四、结构的分类,第一章绪论,由上述各种结构模式混合组成。,5.混合结构,飞机起落架简化模型,梁元件与杆元件混合,飞行器结构力学基础,五、结构的外载荷、内力和支座反力,第一章绪论,1.外载荷,作用在结构上的已知的力，包括线力和力矩。,线力,集中力线分布力面分布力,力矩,集中力矩(力偶)线分布力矩面分布力矩,飞行器结构力学基础,五、结构的外力、内力、支座反力,第一章绪论,2.内力,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。,(1)两端带铰的直杆，也称为二力杆。它是组成桁架的主要元件。只承受沿杆轴线的力，称为杆轴力。,杆轴线,飞行器结构力学基础,五、结构的外力、内力、支座反力,第一章绪论,2.内力,(2)梁：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、扭矩。,x,y,z,空间梁,z,y,平面梁,x,飞行器结构力学基础,五、结构的外力、内力、支座反力,第一章绪论,3.支座反力(支反力),传递到支座上的力或支座对结构的反力。支反力用于平衡结构外载荷，维持结构整体平衡。,活动铰支座,平面固定铰支座,空间固定铰支座提供多少支反力？,飞行器结构力学基础,五、结构的外力、内力、支座反力,第一章绪论,3.支座反力(支反力),平面固定支座,平面定向支座,空间固定支座提供多少支反力？,飞行器结构力学基础,六、基本关系和基本假设,第一章绪论,（1）平衡关系,1.基本关系,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。,（2）协调关系,结构发生变形时，各个元件之间的变形是协调的。,（3）物理关系,元件的力和位移之间，满足材料的物理性质。,结构力学的原理和计算方法均是基