飞行器结构力学
郑晓亚王焘
西北工业大学
2011年6月
目录
第一章绪论 (1)
1.1 结构力学在力学中的地位 (1)
1.2 结构力学的研究内容 (1)
1.3 结构力学的计算模型 (1)
1.4 基本关系和基本假设 (3)
第二章结构的组成分析 (5)
2.1 几何可变系统和几何不变系统 (5)
2.2 自由度、约束和几何不变性的分析 (5)
2.3 组成几何不变系统的基本规则、瞬变系统的概念 (7)
2.4 静定结构和静不定结构 (12)
第三章静定结构的内力及弹性位移 (13)
3.1 引言 (13)
3.2 静定桁架的内力 (13)
3.3 静定刚架的内力＊ (16)
3.4 杆板式薄壁结构计算模型 (19)
3.5 杆板式薄壁结构元件的平衡 (20)
3.6 静定薄壁结构及其内力 (25)
3.7 静定系统的主要特征 (34)
3.8 静定结构的弹性位移 (35)
第四章静不定结构的内力及弹性位移 (45)
4.1 静不定系统的特性 (45)
4.2 静不定系统的解法——力法 (45)
4.3 对称系统的简化计算 (54)
4.4 静不定系统的位移 (57)
4.5 力法的一般原理和基本系统的选取 (60)
第五章薄壁梁的弯曲和扭转 (64)
5.1 引言 (64)
5.2 自由弯曲时的正应力 (65)
5.3 自由弯曲时开剖面剪流的计算 (68)
5.4 开剖面的弯心 (71)
5.5 单闭室剖面剪流的计算 (77)
I
5.6 单闭室剖面薄壁梁的扭角 (81)
5.7 单闭室剖面的弯心 (82)
5.8 多闭室剖面剪流的计算＊ (86)
5.9 限制扭转的概念＊ (91)
第六章结构的稳定 (94)
6.1 引言 (94)
6.2 压杆的稳定性 (95)
6.3 薄板压曲的基本微分方程 (95)
6.4 薄板的临界载荷 (99)
6.5 板在比例极限以外的临界应力 (102)
6.6 薄壁杆的局部失稳和总体失稳 (103)
6.7 加劲板受压失稳后的工作情况——有效宽度概念 (104)
6.8 加劲板受剪失稳后的工作情况——张力场梁概念 (108)
II
第一章绪论
1.1 结构力学在力学中的地位
结构力学是飞行器结构计算的理论基础。它研究飞行器在外载荷作用下，结构最合理的组成及计算方法。所谓最合理的结构是指：在满足设计中关于强度与刚度的基本要求下，同时在结构空间允许的情况下，具有最轻的重量。
为了达到以上的目的，对从事结构设计者来说，必须较熟练地掌握结构力学的基本原理与方法。对于本专业的学生来说，结构力学是飞行器强度与刚度计算的基础课程，并且为学习飞行器部件设计及传力分析打下必要的理论基础。
结构力学具体来说由以下四部分组成：
（1）研究结构组成是否合理。主要指结构在外力作用下是否几何不变，同时内力与变形又不至于过大。
（2）结构在外载荷作用下，结构内力的计算方法。
（3）结构在外载荷作用下，结构刚度的计算方法。
（4）研究结构中某些元件及组合件的弯曲及稳定性。
1.2 结构力学的研究内容
不同的结构有其不同的结构力学，例如在建筑结构中主要涉及杆系，因此杆系所需的力学知识构成建筑结构力学。船舶结构的设计和制造中，主要涉及开口薄壁杆件，因此开口薄壁杆件的弯曲和扭转便构成船舶结构力学的主要内容。对于航天领域，飞行器结构大多是薄壁结构，薄壁结构力学构成飞行器结构力学的主要内容。
1.3 结构力学的计算模型
工程结构，尤其是飞行器结构往往是很复杂的，要考虑所有的因素来分析其内力和变形几乎是不可能的，也是没有必要的。为了适应实际计算，首先需要将真实的结构加以简化，保留起主要作用的因素，略去次要因素，用理想化的受力系统代替实际结构，以得到所需要的计算模型。
计算模型选取的原则是：
1
（1）反映实际结构的主要受力和变形特征；
（2）便于结构的力学分析。
计算模型的简化大致可分成以下5个方面的内容。
1.外载荷的简化
（1）略去对强度和刚度影响不大的外载荷，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简化成集中载荷。
（3）将载荷集度变化不大的分布载荷简化成均布载荷。
（4）将动力效应不大的动力载荷简化成静力载荷。
2.几何形状的简化
飞行器的外形大多由曲线或曲面所构成，计算模型可以简化成用折线代替曲线，用若干平面代替曲面。
3.受力系统的简化
（1）略去结构中不受力或受力不大的元件。
（2）对元件的受力规律或受力类型作某些假设，抽象为理想元件。
4.连接关系的简化
将实际结构中所采用的铆接、螺接或焊接等连接方式，按照其受力及构造特点，可以简化为没有摩擦的铰接或刚接。杆件的汇交点称为结点，其可以简化为图1.1所示的三种形式。
（a）（b）（c）
图1.1
铰结点（见图1.1（a）），特征是被连接的杆件在连接处不能相对移动，但可绕该结点自由转动。铰结点可以传递力，但不能传递力矩。
刚结点（见图1.1（b）），特征是被连接的杆件不能相对移动，且不能相对转动。刚结点既可传递力，也可传递力矩。
组合结点（见图1.1（c）），同一结点上某些杆件视为铰结点，另一些杆件视为刚结点时，形成组合结点，此结点同时具有铰结点和刚结点的特征。
5.支座的简化
将结构与基础连接起来的装置称为支座。以平面支座为例，将支座简化为以下四种形式。2
