结构力学-NCKU国立成功大学航空太空工程学系ppt课件

.,1,江達雲國立成功大學航空太空工程學系,飛機結構學簡介IntroductiontoAircraftStructures,.,2,課程大綱,1.飛機結構簡介2.結構靜力分析3.材料行為及疲勞分析4.彈性力學及應力分析5.有限元素法簡介6.半硬殼式結構分析7.複合材料簡介,.,3,1.飛機結構簡介,EngineeringStructures:(purposeduration:20sec大學課程目標:Providefundamentalconceptsinanalysisanddesignofaircraftstructures.Developanalyticaltoolsforpredictionandassessmentofstructuralbehavior.,.,4,飛機組件及功能,.,5,OrvilleWright,1903,.,6,1910年代之飛機結構,.,7,1980年代之飛機結構,.,8,2010概念機,.,9,飛機公司之工程部門架構,EngineeringDivisionSectionsSpecializedGroups1.PreliminaryDesignSection2.TechnicalAnalysisSectionAerodynamics,Structures,Materials,Control,.3.ComponentDesignSectionStructure(wing,body),System(mechanical/electrical)4.LaboratoryTestSectionWindtunnel,Structure,Propulsion,Electronics,.5.FlightTestSection6.FieldServiceSection,.,10,結構部門,工作提供結構之應力及變形資料確保結構整體之經濟安全性分組1)AppliedLoadsCalculationGroup(aerodynamic,inertia,controlforces)2)StressAnalysis&StrengthGroup(designverification)3)DynamicAnalysisGroup(modalanalysis,shock&vibration,flutter)4)SpecialProjects&ResearchGroup(fatigueanalysis,newwings)(Ref:Bruhn,“AnalysisandDesignofFlightVehicleStructures,”),.,11,飛機發展程序,市場建立需求定義(尺寸、性能、成本)初步設計(準則、概念)細部設計(含分析、試驗)製造測試驗證(功能及性能)營運,.,12,飛機結構設計考量,1.成本及重量(CostandWeight)2.靜力強度(StaticStrength)3.耐久性(Durability)4.耐損傷性(DamageTolerance)5.耐振顫及振動性(FlutterandVibration)6.耐腐蝕性(CorrosionResistance)7.耐毀損性(Crashworthiness)8.維修及製造簡易性,.,13,結構設計概念,飛具結構的有效性隨著重量增加而銳減。2)結構終將破壞；工程師的職責在於儘可能延遲破壞的發生。3)結構設計為一反覆的迭代程序；最佳設計。4)理論分析的優點在於無需成品而能預測破壞；其缺點則在於理論必含有假設與近似。,.,14,連體力學分類,流體力學固體力學：以行為區分：材料力學、彈性力學、塑性力學、黏彈性力學、破壞力學.以對象區分：結構力學、土壤力學、岩石力學.結構力學：靜力學、動力學、板殼分析、結構穩定學複合材料力學、有限元素法.,.,15,2.結構靜力分析,結構分類：離散vs.連續線性vs.非線性靜定vs.超靜定穩定vs.不穩定結構元件：BAR：1-D桿件，Rod(拉力),Column(壓力),Shaft(扭矩),Beam(彎矩),BeamColumn(壓力+彎矩)PLATE：Beam的二維延伸Membrane：in-planeaxialloadShearPanel：in-planeshearloadSHELL：結合Membrane、ShearPanel及抗彎曲之效應,.,16,負荷分類,表面力(分佈、集中)、徹體力(如慣性力)動態、靜態、熱力(thermal)內負荷(結構抗力)軸力、剪力、彎矩、扭矩(和外力平衡)支承及反力支承：限制自由度之束制反力：束制所引制之負荷支承型態：Hinge、Roller、Fixed、Fixed-roller,.,17,設計負荷,Limit(Applied)load：結構可能遭遇之最大負荷Ultimate(Design)load：limitload乘上安全係數(F.S.)F.S.=,.,18,靜定與超靜定,靜平衡方程式(i=x,y,z)靜定性(StaticalDeterminnancy)若結構之內力及反力均能由平衡方程式求得穩定性(Stability)1)至少需3個束制反力元素2)無外部或內部之幾何不穩定,.,19,結構材料選擇準則,1.強度與勁度2.溫度與潛變3.疲勞與腐蝕4.重量與成本,.,20,3.材料行為及疲勞分析,材料曲線特性比例極限、降伏點、極限強度材料試驗拉力試驗：楊氏模數Et、降伏點、抗拉強度壓力試驗：楊氏模數Ec、降伏點、抗壓強度剪力試驗：薄壁圓管受扭矩，剪力模數,.,21,.,22,結構破壞形式,1)應力值超過強度(Brittle)2)變形超過容許值(Ductile)3)挫曲(不穩定)破壞4)疲勞(循環荷載)破壞,.,23,疲勞現象(Fatigue),由於循環應力所引致微裂縫的產生及傳佈疲勞試驗定振幅循環應力反覆作用，求得破壞循環數N材料S-N曲線：b,c為材料常數Palmgren-Miner線性損傷累積假說：,.,24,結構優化,1)選擇強度/勁度與重量比較佳之材料考慮抗腐蝕性、延展性、抗疲勞性2)採用夾層構造(SandwichConstruction)面板+低密度心材，抗振性及絕緣性佳3)適當補強以確保DamageTolerance及FailSafe造成高度靜不定,.,25,4.彈性力學及應力分析,應力(stress)：正(normal)應力、剪(shear)應力應變(strain)：正應變(長度變化)剪應變(角度變化)應變-位移關係應力-應變關係1)LinearlyElastic2)NonlinearlyElastic3)Inelastic,.,26,廣義虎克定律(等向性材料)諧合方程式(CompatibilityEquations)平衡方程式,.,27,應力分析,力與應力正應力與剪應力,.,28,剪力流,剪力流分析較易，不需決定桿件腹寬飛具結構常採用曲線腹板，如機翼蒙皮。一般分析均假設腹板不承受彎曲應力，只承受剪力，剪力中心(ShearCenter)開放型斷面抗扭矩強度低，外力需通過剪力中心,.,29,5.有限元素法簡介,結構系統=元素(子結構)之組合有限元素模型：結點(Nodes)、自由度元素(Elements)、邊界條件元素型式1-D：Truss(Rod),Beam2-D：Membrane,Plate,Shell3-D：Solid(Brick),.,30,有限元素分析模型,.,31,勁度(變位)法,，元素勁度矩陣1.假設位移函數：2.應變-變位關係：,.,32,3.應力-應變關係：4.應力-結點力關係：,.,33,有限元素法施行步驟：1.定義結點、自由度、及元素型式。2.定義形狀函數以結點位移描述元素變位場。3.由平衡關係推導元素勁度矩陣。4.組合整體平衡(運動)方程式，並考慮適當邊界條件以求解結點變位。5.計算元素內各點之變位、應力等反應。優點：1.自動化計算能力強大，能處理多工程領域之問題。2.適用於結構含複雜之幾何、材料、邊界條件。3.能有效處理不同之負荷情況。,.,34,6.半硬殼式結構分析,Semi-monocoque：Shell+Stiffeners高度靜不定、開口(cut-outs)蒙皮(SkinSheet)：承受平面內剪力及拉力加勁桿(Stiffeners)：分佈集中載重、抵抗彎應力如機身隔艙(Bulkheads)、翼肋樑(Ribs)開口(cut-outs)：造成應力反應增加，需加勁補強,.,35,7.複合材料簡介,CompositeMaterialsFiber(纖維)+Matrix(基材)Steel+ConcreteGlass+ResinGraphite+MetalKevlar+CeramicsSandwichconstructionthinfacingplates+core(honeycomb),.,36,蜂巢狀結構,.,37,複合材料特性