飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)

前言

本書是清華大學(xué)航天航空學(xué)院本科生飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的教材。本書作者通過調(diào)研國(guó)內(nèi)外相關(guān)教材、專著和其他文獻(xiàn)，并結(jié)合多年來講授相關(guān)固體力學(xué)課程和科研工作的經(jīng)驗(yàn)，編寫了一本《飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)講義》。從2007年春季起，該講義經(jīng)過清華大學(xué)三個(gè)年級(jí)本科生試用，在此過程中不斷修改、補(bǔ)充和完善，最終形成了本教材。在本書編寫過程中，主要遵循以下幾個(gè)方面的原則： 一、 面向工程、注重建模本門課程既具有很強(qiáng)的工程背景，又必須闡明很多基本的力學(xué)概念。本書力圖先從工程的觀點(diǎn)介紹這門學(xué)科的發(fā)展歷史、背景知識(shí)以及今后的發(fā)展方向，然后再講解具體的力學(xué)分析方法。教材中的例題和習(xí)題都盡量結(jié)合具體的飛行器結(jié)構(gòu)來選用。由于近代各種CAE（computer aided engineering）軟件已經(jīng)在飛行器結(jié)構(gòu)分析中被廣泛采用，設(shè)計(jì)人員逐漸從繁復(fù)的計(jì)算工作中解放出來； 對(duì)于結(jié)構(gòu)分析工程師來說，在一定的設(shè)計(jì)條件下能夠選擇合理的結(jié)構(gòu)形式、從實(shí)際工程問題中抽象出合理的力學(xué)模型更凸顯其重要性。這就要求學(xué)生通過本門課程的學(xué)習(xí)，對(duì)工程中常見的各類不同結(jié)構(gòu)（如開口與閉口薄壁桿件，板與殼）承受各種不同載荷的能力與行為融會(huì)貫通、有比較透徹的理解。這些不同構(gòu)件常常同時(shí)在諸如航天器、火箭、飛機(jī)等同一個(gè)工程結(jié)構(gòu)中存在，但在以往傳統(tǒng)的力學(xué)專業(yè)教學(xué)中，這些內(nèi)容往往分屬不同課程，學(xué)生缺乏總體概念，很難將它們互相聯(lián)系與比較，本書力求在這方面具有較鮮明的特色。二、 強(qiáng)調(diào)基礎(chǔ)、注重推導(dǎo)現(xiàn)有各種結(jié)構(gòu)力學(xué)教材比較注重各種具體結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法； 為了使學(xué)生能夠適應(yīng)近代航空航天科技發(fā)展對(duì)于結(jié)構(gòu)創(chuàng)新的要求，本教材力求闡明基本的力學(xué)概念、假設(shè)和原理，并要求學(xué)生結(jié)合具體結(jié)構(gòu)能自行推導(dǎo)大部分公式。通過這種訓(xùn)練，希望學(xué)生不但知道怎樣求解具體的問題，而且還能從基本原理上領(lǐng)悟這樣做的道理，而不是死記硬背現(xiàn)成的計(jì)算公式，即力求貫徹“授人以魚，不如授之以漁”的教學(xué)原則。三、 有所取舍、重點(diǎn)突出飛行器是一個(gè)很廣泛的概念，它包含了飛機(jī)、火箭、導(dǎo)彈、飛艇、衛(wèi)星、飛船等多種類別。每種飛行器的運(yùn)行工況、結(jié)構(gòu)形式和材料都不盡相同，相應(yīng)的設(shè)計(jì)要求和結(jié)構(gòu)的具體分析方法也有所區(qū)別。而在大學(xué)里學(xué)習(xí)本門課程的學(xué)生，畢業(yè)以后所投身的工程領(lǐng)域也是多種多樣的。這些龐雜的具體結(jié)構(gòu)分析內(nèi)容很難在一本書中講透徹，但對(duì)它們進(jìn)行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析的基礎(chǔ)知識(shí)是相通的。加之隨著現(xiàn)代數(shù)字模擬技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)字化設(shè)計(jì)已經(jīng)成為這個(gè)行業(yè)技術(shù)發(fā)展的必然趨勢(shì)，對(duì)于傳統(tǒng)的結(jié)構(gòu)力學(xué)的講授必須突出最基本的內(nèi)容、有所取舍。作為一本專業(yè)基礎(chǔ)教材，本書只能以常規(guī)飛行器為例，對(duì)于其中普遍應(yīng)用的金屬桿件、板與殼元件及其組合結(jié)構(gòu)進(jìn)行敘述，力圖闡明它們的強(qiáng)度、變形和穩(wěn)定性方面的基本概念和分析方法，為學(xué)生畢業(yè)后適應(yīng)多種工程對(duì)象結(jié)構(gòu)分析的要求打下扎實(shí)的基礎(chǔ)。

內(nèi)容概要

　　《飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)》是一本闡述飛行器結(jié)構(gòu)分析基本理論與方法的教材。全書首先介紹了飛行器結(jié)構(gòu)的發(fā)展過程以及設(shè)計(jì)思想的演變。隨后介紹了桿件(特別是包括了閉口、開口薄壁桿件以及復(fù)合截面桿件)、板與殼等組成飛行器結(jié)構(gòu)的基本薄壁元件的受力與變形特點(diǎn)以及相應(yīng)的力學(xué)分析方法。在此基礎(chǔ)上介紹了靜定桿系與桿板組合結(jié)構(gòu)分析的理論與方法，然后從能量原理入手講述了相應(yīng)的靜不定結(jié)構(gòu)的分析方法。最后講述了結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基本概念、穩(wěn)定性分析的基本原理以及飛行器中典型的桿、板與殼在軸壓、側(cè)壓及扭矩作用時(shí)失穩(wěn)的力學(xué)行為與分析方法。各章附有例題、習(xí)題及參考文獻(xiàn)?！　　讹w行器結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)》可作為航空航天專業(yè)、力學(xué)專業(yè)大學(xué)本科教材，也可作為其他有關(guān)專業(yè)結(jié)構(gòu)力學(xué)課程的參考書，還可供上述專業(yè)教師及工程技術(shù)人員參考。

書籍目錄

第1章 緒論1.1 飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)的發(fā)展簡(jiǎn)史1.1.1 飛機(jī)結(jié)構(gòu)和材料的演變1.1.2 飛機(jī)結(jié)構(gòu)的力學(xué)分析1.1.3 火箭和導(dǎo)彈結(jié)構(gòu)1.1.4 航天器結(jié)構(gòu)1.1.5 氣球和飛艇結(jié)構(gòu)1.2 飛行器研制的基本過程和思想1.2.1 飛行器研制的基本過程1.2.2 飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的思想習(xí)題本章參考文獻(xiàn)第2章 薄壁元件的力學(xué)分析2.1 典型飛行器結(jié)構(gòu)的受力特征2.1.1 作用在飛機(jī)上的外載荷2.1.2 機(jī)翼結(jié)構(gòu)2.1.3 機(jī)身結(jié)構(gòu)2.1.4 火箭結(jié)構(gòu)2.2 桿件、薄板與薄殼承載的基本特點(diǎn)與基本假定2.2.1 桿件、薄板與薄殼的幾何特點(diǎn)與坐標(biāo)系的建立2.2.2 桿件、板與殼受力與變形的基本特點(diǎn)，廣義內(nèi)力素2.2.3 桿件、板與殼所承受的外載荷2.2.4 桿件、板與殼承載方式與承載能力的比較2.3 任意截面形狀直桿的拉伸、壓縮、彎曲與扭轉(zhuǎn)2.3.1 直桿受單軸拉壓2.3.2 直梁受橫向力作用下的平面彎曲2.3.3 復(fù)合截面直桿受軸力與橫向力作用下的平面拉壓與彎曲2.3.4 梁的彎曲剪應(yīng)力，非對(duì)稱截面梁的彎曲，剪力中心2.3.5 桿件的自由扭轉(zhuǎn)問題2.4 薄壁桿件2.4.1 薄壁桿件受力與變形的基本假定2.4.2 薄壁桿件的自由扭轉(zhuǎn)問題2.4.3 薄壁梁的彎曲剪應(yīng)力2.4.4 開口薄壁桿件的約束扭轉(zhuǎn)2.4.5 閉口薄壁桿件的約束扭轉(zhuǎn)*2.4.6 剪切滯后2.5 彈性圓環(huán)*2.5.1 彈性圓環(huán)的基本形狀、坐標(biāo)系與力學(xué)分析的基本假定2.5.2 彈性圓環(huán)變形的幾何關(guān)系和彈性關(guān)系2.5.3 彈性圓環(huán)的平衡方程2.6 彈性薄板的彎曲問題2.6.1 彈性薄板的小撓度彎曲微分方程2.6.2 彈性薄板小撓度彎曲的邊界條件2.6.3 彈性薄板小撓度彎曲微分方程的解2.7 彈性薄殼理論2.7.1 旋轉(zhuǎn)曲面的幾何特性2.7.2 旋轉(zhuǎn)殼的薄膜理論2.7.3 圓柱殼軸對(duì)稱情況的一般（有矩）理論習(xí)題本章參考文獻(xiàn)第3章 靜定薄壁結(jié)構(gòu)的內(nèi)力分析3.1 幾何不變性和不可移動(dòng)性3.2 桁架結(jié)構(gòu)3.2.1 判斷桁架幾何不變性和不可移動(dòng)性的方法3.2.2 靜定桁架的解法3.3 剛架結(jié)構(gòu)3.3.1 組成剛架的方法3.3.2 靜定剛架的解法3.4 混合桿系結(jié)構(gòu)3.5 靜定薄壁結(jié)構(gòu)3.5.1 受剪板的平衡3.5.2 平面靜定薄壁結(jié)構(gòu)3.5.3 空間靜定薄壁結(jié)構(gòu)習(xí)題本章參考文獻(xiàn)第4章 能量原理及彈性結(jié)構(gòu)的變形分析4.1 功和能量的基本概念4.1.1 真實(shí)狀態(tài)與可能狀態(tài)4.1.2 功、廣義力、廣義位移和廣義變形4.1.3 應(yīng)變能和應(yīng)變余能4.2 能量原理4.2.1 可能功原理與功的互等定理4.2.2 和應(yīng)變能相關(guān)的能量原理4.2.3 和應(yīng)變余能相關(guān)的能量原理4.3 靜不定結(jié)構(gòu)的分析4.3.1 力法4.3.2 位移法4.4 近似解法4.4.1 里茲法4.4.2 伽遼金法4.4.3 有限單元法習(xí)題本章參考文獻(xiàn)第5章 薄壁結(jié)構(gòu)的彈性靜力穩(wěn)定性分析5.1 結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的基本概念5.1.1 平衡狀態(tài)的類型5.1.2 靜力穩(wěn)定性問題的分類5.1.3 屈曲模態(tài)5.1.4 屈曲與破壞的關(guān)系5.1.5 保守系統(tǒng)中彈性結(jié)構(gòu)屈曲的研究方法5.2 開口薄壁桿件的彎扭屈曲5.2.1 中心受壓桿件的扭轉(zhuǎn)屈曲5.2.2 受彎薄壁梁的側(cè)向屈曲5.3 薄板的彈性屈曲5.3.1 矩形薄板的彈性屈曲5.3.2 加筋薄板的前屈曲分析5.3.3 受壓加筋板的后屈曲分析5.3.4 張力場(chǎng)梁設(shè)計(jì)5.4 薄殼的彈性屈曲5.4.1 圓柱薄殼的軸壓屈曲5.4.2 圓柱薄殼在純彎曲載荷作用下的屈曲5.4.3 圓柱薄殼的扭轉(zhuǎn)屈曲5.4.4 圓柱薄殼的外壓屈曲5.4.5 圓柱薄殼在多組載荷下的屈曲5.4.6 圓柱曲板的軸壓和剪切屈曲5.4.7 球殼的外壓失穩(wěn)5.4.8 加筋殼屈曲問題簡(jiǎn)介習(xí)題本章參考文獻(xiàn)

章節(jié)摘錄

插圖：第1章 緒論飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)是一門有很強(qiáng)應(yīng)用背景的課程，為了明確學(xué)習(xí)M的和重點(diǎn)，有必要了解飛行器發(fā)展的歷程、飛行器的主要組成部分、各部分的典型結(jié)構(gòu)形式、使用的材料、所受的載荷以及飛行器設(shè)計(jì)的基本過程。在進(jìn)行實(shí)際結(jié)構(gòu)分析時(shí)，這部分知識(shí)也有助于結(jié)構(gòu)分析師從工程問題中抽象出合理的力學(xué)模型，并在此基礎(chǔ)上進(jìn)行具體的力學(xué)分析。這些基礎(chǔ)知識(shí)的詳細(xì)內(nèi)容可以在航空航天發(fā)展史、飛行器總體設(shè)計(jì)、飛行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和航空航天材料學(xué)等專門的課程中獲得。本章只對(duì)這些內(nèi)容進(jìn)行比較概括的介紹，力求突出其中和力學(xué)分析相關(guān)的部分。飛行器包括飛機(jī)、氣球、飛艇、導(dǎo)彈、運(yùn)載火箭、人造地球衛(wèi)星、空間探測(cè)器、載人飛船、空間站、航天飛機(jī)與航空飛機(jī)等多種類別。但很多飛行器結(jié)構(gòu)分析的方法和技術(shù)都源于對(duì)飛機(jī)結(jié)構(gòu)的分析。因此，本章首先比較詳細(xì)地介紹飛機(jī)結(jié)構(gòu)的發(fā)展歷程和相應(yīng)結(jié)構(gòu)分析方法的演變，然后簡(jiǎn)略介紹其他飛行器相對(duì)于飛機(jī)的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。

編輯推薦

《飛行器結(jié)構(gòu)力學(xué)基礎(chǔ)》由清華大學(xué)出版社出版。

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