飞行器结构力学基础_薛明德、向志海_9787302202752

　　本书是一本阐述飞行器结构分析基本理论与方法的教材。全书首先介绍了飞行器结构的发展过程以及设计思想的演变。随后介绍了杆件(特别是包括了闭口、开口薄壁杆件以及复合截面杆件)、板与壳等组成飞行器结构的基本薄壁元件的受力与变形特点以及相应的力学分析方法。在此基础上介绍了静定杆系与杆板组合结构分析的理论与方法，然后从能量原理入手讲述了相应的静不定结构的分析方法。最后讲述了结构稳定性的基本概念、稳定性分析的基本原理以及飞行器中典型的杆、板与壳在轴压、侧压及扭矩作用时失稳的力学行为与分析方法。各章附有例题、习题及参考文献。
本书可作为航空航天专业、力学专业大学本科教材，也可作为其他有关专业结构力学课程的参考书，还可供上述专业教师及工程技术人员参考。

　　本书是清华大学航天航空学院本科生飞行器结构力学课程的教材。本书作者通过调研国内外相关教材、专著和其他文献，并结合多年来讲授相关固体力学课程和科研工作的经验，编写了一本《飞行器结构力学讲义》。从2007年春季起，该讲义经过清华大学三个年级本科生试用，在此过程中不断修改、补充和完善，最终形成了本教材。
在本书编写过程中，主要遵循以下几个方面的原则：
一、面向工程、注重建模
本门课程既具有很强的工程背景，又必须阐明很多基本的力学概念。本书力图先从工程的观点介绍这门学科的发展历史、背景知识以及今后的发展方向，然后再讲解具体的力学分析方法。教材中的例题和习题都尽量结合具体的飞行器结构来选用。由于近代各种CAE（computer aided engineering）软件已经在飞行器结构分析中被广泛采用，设计人员逐渐从繁复的计算工作中解放出来；对于结构分析工程师来说，在一定的设计条件下能够选择合理的结构形式、从实际工程问题中抽象出合理的力学模型更凸显其重要性。这就要求学生通过本门课程的学习，对工程中常见的各类不同结构（如开口与闭口薄壁杆件，板与壳）承受各种不同载荷的能力与行为融会贯通、有比较透彻的理解。这些不同构件常常同时在诸如航天器、火箭、飞机等同一个工程结构中存在，但在以往传统的力学专业教学中，这些内容往往分属不同课程，学生缺乏总体概念，很难将它们互相联系与比较，本书力求在这方面具有较鲜明的特色。
二、强调基础、注重推导
现有各种结构力学教材比较注重各种具体结构的计算方法；为了使学生能够适应近代航空航天科技发展对于结构创新的要求，本教材力求阐明基本的力学概念、假设和原理，并要求学生结合具体结构能自行推导大部分公式。通过这种训练，希望学生不但知道怎样求解具体的问题，而且还能从基本原理上领悟这样做的道理，而不是死记硬背现成的计算公式，即力求贯彻“授人以鱼，不如授之以渔”的教学原则。
三、有所取舍、重点突出
飞行器是一个很广泛的概念，它包含了飞机、火箭、导弹、飞艇、卫星、飞船等多种类别。每种飞行器的运行工况、结构形式和材料都不尽相同，相应的设计要求和结构的具体分析方法也有所区别。而在大学里学习本门课程的学生，毕业以后所投身的工程领域也是多种多样的。这些庞杂的具体结构分析内容很难在一本书中讲透彻，但对它们进行结构力学分析的基础知识是相通的。加之随着现代数字模拟技术的飞速发展，数字化设计已经成为这个行业技术发展的必然趋势，对于传统的结构力学的讲授必须突出最基本的内容、有所取舍。作为一本专业基础教材，本书只能以常规飞行器为例，对于其中普遍应用的金属杆件、板与壳元件及其组合结构进行叙述，力图阐明它们的强度、变形和稳定性方面的基本概念和分析方法，为学生毕业后适应多种工程对象结构分析的要求打下扎实的基础。

本教材针对大学工科高年级学生编写。在学习本教材之前，要求学生先修材料力学课程；本书的基础知识还涉及弹性力学的基本微分方程，由于其内容可以在很多教科书中找到，不再列入本书。此外，本书也不叙述飞机、火箭等飞行器的结构细节，这部分内容学生可以在飞行器结构设计课程中进行学习。至于复合材料结构分析、有限元方法、疲劳断裂、振动理论以及飞行器结构优化设计等知识，学生可以从相应的专业课程中学到。而诸如飞艇中的薄膜结构分析，高超音速飞行器的防热结构分析等这些特殊的问题，学生可以在工作需要时进行更加深入的学习和研究。
基于以上的考虑，全书共分五章（书中带*号的章节可以作为选修内容），它们之间的关系可由下图表示：
第1章回顾了飞行器结构分析技术发展的历史过程，介绍了飞行器的分类、典型结构、使用工况和使用的材料，并对飞行器设计的整个过程和思想做了简单的描述。通过这部分内容的学习，希望学生对这门学科的简要发展历程，它所要解决的工程问题，以及它在整个飞行器设计过程中所处的地位建立一个整体的印象，并明确这门课程学习的目的、意义和相应的特点。另外，第1章中列出的参考文献也有利于今后进一步学习相关知识。
第2章阐述杆件、板与壳这类薄壁元件的基本特点、基本理论假设以及相应的分析方法。由于整个飞行器结构几乎都是由这些基本薄壁元件组成的，因此这部分内容是整个课程的基础。本章中关于弹性圆环的分析方法是我们根据以往的研究工作系统地总结出来的。本章还阐述了工程中复杂结构组合截面杆件的分析方法，为读者对于飞行器部件进行总体的近似分析打下初步基础。
第3章阐述静定薄壁结构的内力分析。这部分的内容和传统《结构力学》教材比较相似，但增加了杆板组合模型方面的内容。这些方法曾经在飞行器结构分析中发挥了巨大的作用。虽然它们现在已经逐渐被有限元等数值分析方法所取代，但是通过这章的学习，对理解结构的传力特性还是很有帮助的。
第4章从能量角度来进行薄壁结构的分析。这既是《弹性力学》能量原理的自然应用，又是有限元等数值分析方法的基础。通过该章的学习，希望学生能够熟悉各种薄壁结构的包括温度影响在内的能量表达公式，能应用能量法来进行静不定结构的分析，并能够理解有限元等近似计算方法的基本思想。
第5章讲述薄壁结构的弹性静力稳定性分析。阐明稳定性问题的基本概念，介绍结构弹性静力稳定性分析的基本方法和各种结构的典型失稳形式和特点，并对飞行器中一些简单结构的弹性静力稳定性问题给出定量计算公式。
我们的教学经验表明，在本教材的基础上配合相应的设计和制作实验会达到更好的教学效果。这部分内容可以由教师具体设计，不再纳入教材内容。
本教材的编写工作得到了清华大学航空航天学院和清华大学出版社的大力支持。清华大学航空航天学院学生航空创新实践基地和清华大学强度与振动中心实验室的各位老师为我们的实验教学环节提出了很好的建议，并提供了场地和设备方面的支持。任文敏教授给我们提供了大量的国内外资料和习题。殷雅俊教授为本教材第3章的编写提供了很好的素材。肖志祥副教授给我们提供了机身气动载荷分布的计算结果。在本教材即将出版之际，作者向所有对本教材做出贡献的朋友们表示衷心的感谢！。

由于时间和编者的水平有限，本教材中不妥之处恐难避免，敬请读者批评指正。

编者
2009年7月于北京清华园

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