飛機結(jié)構(gòu)力學（structural mechanics of aircraft），是一門研究飛機結(jié)構(gòu)在載荷和環(huán)境作用下的應力、變形、穩(wěn)定性和合理性的學科，也被稱為飛機結(jié)構(gòu)理論或飛機強度學。它是固體力學理論應用于飛機結(jié)構(gòu)的一個分支學科，也是飛機結(jié)構(gòu)設計的重要理論基礎。飛機結(jié)構(gòu)力學的研究對象不僅限于飛機，其基本原理也適用于其他飛行器，如航天器和火箭。然而，不同類型的飛行器有著各自的特殊結(jié)構(gòu)問題。傳統(tǒng)的飛機結(jié)構(gòu)力學可分為桿系結(jié)構(gòu)力學和薄壁結(jié)構(gòu)力學兩類。
設備結(jié)構(gòu)
桿系
在桿系結(jié)構(gòu)中，飛機結(jié)構(gòu)力學與一般的結(jié)構(gòu)力學相似，涉及靜定和靜不定結(jié)構(gòu)。解決問題的方法包括滿足靜力平衡條件和變形協(xié)調(diào)條件，以及利用最小能量法來簡化靜不定結(jié)構(gòu)問題。桿系結(jié)構(gòu)力學早期關注的主題包括梁柱、扭轉(zhuǎn)和穩(wěn)定性等。
梁柱
梁柱是指同時受到彎曲和壓縮的桿件。在這種情況下，側(cè)向力會導致彎曲撓度，進而影響軸向壓力，從而導致更大的側(cè)向彎曲。因此，必須綜合考慮側(cè)向力和軸向壓力的作用，以便得出真實的彎矩用于設計。
扭轉(zhuǎn)
早期的梁式機翼主要由翼梁支撐扭矩，但由于翼梁的實心斷面，扭轉(zhuǎn)剛度常常不足。實心斷面梁在軸向扭曲時的應力和變形可以通過彈性力學中薄膜模擬實驗的結(jié)果獲得，這種方法比使用材料力學計算更為精確。
穩(wěn)定性
桿系結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題主要包括直柱的屈曲，其中包括彈性支承、彎扭失穩(wěn)等較為復雜的問題。
薄壁
在薄壁結(jié)構(gòu)中，桿主要承受軸向力，板主要承受剪力。薄壁結(jié)構(gòu)的主要問題包括扭轉(zhuǎn)、剪滯、屈曲、有效寬度、張力場和壓力艙等。
扭轉(zhuǎn)
閉合截面的薄壁結(jié)構(gòu)具有較高的扭轉(zhuǎn)剛度，在飛機結(jié)構(gòu)中得到了廣泛的應用。單閉室斷面的薄壁結(jié)構(gòu)或薄壁管在受扭矩時的剪應力τ和單位長度相對扭轉(zhuǎn)角θ分別可以用以下公式表示：
$$\tau = \frac{T}{2A}t, \quad \theta = \frac{TS}{4A^{2}}Gt$$
其中，T代表扭矩，A代表薄壁中線所包圍的面積，t代表管壁厚度，G代表材料的剪切模量，S代表薄壁中線的周長。
剪滯
薄壁結(jié)構(gòu)的剪切變形較大，使得工程梁理論中的平面假設有時不再適用。隨著機翼斷面向翼根移動，盒形梁中部桁條的正應力增加相對于翼梁處緣條的正應力增加在位置上會有所滯后。
屈曲
薄壁結(jié)構(gòu)中有多種形式的屈曲。除了簡單的受拉情況之外，薄板在板中面內(nèi)受壓、受剪，薄壁梁受彎、受扭，薄壁殼體受外壓等情況都會引起屈曲現(xiàn)象。圓筒在軸向壓力下的抗屈曲能力高于平板，這是因為在理想幾何形狀的假設下，經(jīng)典理論的結(jié)果可能會低估實際試驗值。
有效寬度
平板在屈曲后仍然能夠繼續(xù)承受軸向壓力。靠近桁條或緣條的部分薄板由于支承的限制無法自由凹凸，因此能夠有效地承受軸向壓力，而遠離兩側(cè)支承的薄板則可以自由凹凸，幾乎無法承受軸向壓力。經(jīng)驗公式表明，有效寬度約為：
$$b_{e} = 1.9(\sqrt{\frac{E}{\sigma}})t$$
其中，E代表材料的彈性模量，σ代表軸向壓力。對于常見的鋁合金，有效寬度大約等于30至40倍的管壁厚度t。
張力場梁
梁的腹板在受剪失穩(wěn)后仍能繼續(xù)承載，此時受力方式轉(zhuǎn)變?yōu)檠刂y的峰值和谷值方向的斜向張力，而薄板梁變成了類似于桁架的結(jié)構(gòu)，即張力場梁。在張力場梁中，上下緣條既是桁架的一部分，承受水平拉壓，又是連續(xù)梁，承受腹板施加的向心張力。腹板張力的極限值為材料的屈服強度。
壓力艙
壓力艙在承受內(nèi)外壓差P時會產(chǎn)生縱向和周向的薄膜應力TL和Th，這兩種應力可以根據(jù)法向平衡條件求得：
$$\frac{Th}{Rh} = \frac{TL}{rL} = P$$
其中，rh和rL分別是艙體沿周向和縱向的主曲率半徑。當座艙帶有窗戶或門孔時，通常會在孔周圍加強，以保持遠離孔邊的膜應力不變，這樣可以使孔周圍的加強件恰好替代被挖去的部分，這樣的孔被稱為中性孔。過度加強孔邊并不一定有益，而且中性孔并不是唯一的解決方案。
發(fā)展趨勢
隨著飛機結(jié)構(gòu)型式的演變和電子計算機技術在現(xiàn)代計算力學中的應用，飛機結(jié)構(gòu)力學的內(nèi)容不斷更新和發(fā)展。有限元法在飛機和其他飛行器結(jié)構(gòu)分析中得到了廣泛應用，為復雜結(jié)構(gòu)分析提供了快速且精確的工具，解決了許多在過去被認為是高度靜不定的問題。最初的飛機結(jié)構(gòu)力學側(cè)重于靜力學，但在飛機事故分析中提出了諸如氣動彈性、疲勞與斷裂、熱強度等一系列新課題，這些課題逐漸發(fā)展成了獨立的分支學科。此外，還涌現(xiàn)了最優(yōu)化、復合材料力學、統(tǒng)計結(jié)構(gòu)力學等新興分支。
參考資料 >
《飛機結(jié)構(gòu)力學》ppt課件.豆丁網(wǎng).2024-11-05
《飛機結(jié)構(gòu)力學》第6-1章薄壁工程梁理論概述.豆丁網(wǎng).2024-11-05
飛機結(jié)構(gòu)力學第五章 .百度文庫.2024-11-05