应用弹性力学教程一.docVIP

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应用弹性力学教程一

飞行器结构力学(一) 课时分配:第一章:8学时;第二章:10学时;第三章:12学时;第四章:6学时 结构力学是一门研究结构在外载荷作用下的变形和受力(传力)规律的科学。它和材料力学、板壳学等相近学科一样,都是以弹性力学为基础。这些不同但有相近的学科,它们之间的差异只是由于所研究对象的几何特征不同,以及在力学上的特征不同,而采用了不同的假设和前提,导致了不同的分析方法。 结构是一些受力元件和构件的综合,如机翼、机身、尾翼、桁架结构等。在结构力学中,总是用一个理想化的计算模型来代替真实结构(它不包含非受力或无足轻重的受力件)。这个计算模型尽可能地体现原结构的重要力学特征,如静力和动力特征,本课程重点讨论静力问题,对动力问题作了简单介绍。 结构力学问题学习的总体思路如上图所示,学习中一定要注意“假设”和“求解方法”。 飞机结构所承受载荷: 按产生载荷的环境分;按作用的部位分 按作用的区域分;按时间变化分 飞行载荷;地面载荷 此外舰载飞机的弹射、拦阻载荷、座舱增压载荷。 水陆飞机的水面着陆载荷 表面力 体力 由于这些载荷的作用,在飞机结构的各个部分(机翼、机身、尾翼)引起轴力、剪力、弯矩和扭矩。因此,载荷在飞机结构力学中扮演重要角色。作为结构力学的入门,首先介绍一些弹性力学知识,并将载荷分为表面力和体力,暂时忽略其物理意义。 第一部分 弹性力学基础 第一节 弹性力学基本假定 弹性力学研究连续介质体(如固体)的弹性变形和应力状态,所讨论的物体形状可以是任意的。 基本假定: 连续性假设:物体粒子是连续充满物质空间,物体变形前后均保持连续。因此物体的一切物理量,如密度、应力、应变、位移等都是连续函数。 各向同性假设:物体在各方向具有相同的物理性质,弹性常数不随坐标方向而变化。 均匀性假设:物体由同一类型的均匀固体材料构成,其物理性质处处相同,因而可取任一微元进行分析。 小变形假设:物体产生的变形量,与其本身尺寸相比属高阶小量(即线性问题)。 第二节 应力 2-1 体力和面力 图1-1 在OXYZ坐标系内,物体的任一点C处,取C点邻域的微小体元,设在上的体力,则 为C点的体力,单位,其方向为内的极限方向。若是物体内C点邻域单位质量的质量力,并令为体元质量,为质量密度,则是作用在上的质量力,且质量体力为 类似地,设物体表面上一点P邻域取微小面元,令上的面力,则 为P点物体单位面积上的面力矢量。 2-1 应力 图1-2 假定把受一组平衡力作用的物体用一平面C分成A、B两部分,考察A部分C平面上的内力(分布力),如图1-2所示,取C面P点处微小面元,则上内力矢量,极限矢量 就是物体在C面P点处应力,其方向与的极限方向一致,即是C面P点处单位面积上的面力矢量。这个应力在C平面外法线方向的应力分量为;称为正应力沿切线方向的应力分量为,称为切应力。如把图1-2中方向与轴方向一致,如图1-3和1-4所示,则有 其中,沿和轴分解为分量,。则C面上P点应力分量为,,。 图1-3 图1-4 规定:下标标记第一个字母表示应力所在面的外法线方向; 小标第二个字母表示应力分量的指向; 正应力的正负号:(1)当其所在面的外法线与坐标轴正向一致时,则以沿坐标轴正向的切应力为正;(2)当其所在面的外法线与坐标轴负向一致时,则以沿坐标轴负向的切应力为负。 以上C平面是任意的,为了在OXYZ坐标下研究P点的应力状态,通常在P点处沿,,方向取一个微小正平行六面体(如图1-5所示),各边长为,,。 假定应力在各面上均匀分布,则各面应力便可用各面中心点的应力矢量表示,每个面上应力矢量又可分解为1个正应力,2个切应力(如图 所示),当微六面体趋于无穷小时,六面体应力即代表P点处应力。此时,P点处应力分量共9个: 以后将证明切应力互等定理,即,,,因此,实际独立应力分量只有6个,即,,,,,。 图1-5 2-3 二维应力状态与平面问题的平衡方程 为了便于说明问题,以二维平面问题为例,考虑物体所受的面力和体力及其应力都与某一坐标轴(Z轴)无关的情况。 (1)物体是一个很薄板,且载荷只作用在板边,平行于板面(如图1-6所示)。即Z方向体力分量,面力分量均为零,则有 图1-6 由于板厚很小,外载荷沿厚度均匀分布,故可近似为应力沿厚度均匀分布。由此在垂直于Z轴的任一微元面积上均有 即过任一点处不等于零的应力分量只有 此称为平面应力问题。 (2)考虑一个无限长(Z向)的水坝,由于其变形只在OXYZ平面内,与Z无关,称为平面应变问题。 现讨论物体处于平衡状态时,各点应力及体力的相互关系,并由此导

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