飞行器结构力学主要关注飞行器在空中运行时的结构稳定性,包括如何计算和分析结构的内力和位移。在本电子教案中,重点讲解了受剪板式薄壁结构的静定平面薄壁结构内力计算。这部分内容是航空学院航空结构工程系教学的重要组成部分,对于理解和设计飞行器的承载能力至关重要。
平面薄壁结构的计算模型由结点、杆和板元件构成。这些元素必须在同一平面上,以承受作用在该平面上的外载荷。结点被视为自由体,具有2个自由度,而杆和四边形板则起到约束作用,分别限制一个自由度。通过结点、杆和板的组合,可以构建出不同类型的结构。
在结构的组成分析中,有两个关键规则。规则1是每增加两个自由结点,需要用三根杆和一块四边形板来固定,形成无多余约束的几何不变系统,即平面静定结构。规则2则是每增加一个自由结点,用两根杆和一块板固定,会增加一个多余约束,使得结构变为静不定结构。特别需要注意的是内“十”字结点,这种结点周围四根杆和四块板完整连接,其静不定度等于内“十”字结点数目。
分析平面薄壁结构的静不定度可以通过组成法,比如计算内“十”字结点的数量,或者采用增减元件法。例如,环形薄壁框结构中,可以通过假设开口被板封闭,然后减去实际不存在的板来确定多余约束的数量。
内力计算是飞行器结构力学中的核心问题。对于静定平面薄壁结构,可以使用类似于杆系结构的结点法或截面法。结点法通过结点平衡条件求解杆件轴力,再由杆件平衡求出板的剪流。截面法则考虑切面通常设在杆板交界处,同时注意处理板的剪流。应用零力杆端的判断原则,如共线杆件交于无载荷结点时其轴力为零,可以简化计算过程。
例如,在求解加强肋后段的内力图时,首先要进行组成分析,判断结构是否为静定系统。接着,可以利用结点平衡条件和杆件平衡来确定轴力和剪流,进而求得整个结构的内力分布。
飞行器结构力学涉及的内容广泛且深入,要求学生掌握平面薄壁结构的组成规律、内力计算方法以及静不定度的判断,这些都是确保飞行器安全和性能的关键知识点。通过学习这些理论,工程师能够设计出更高效、更耐用的飞行器结构。