飞机复合材料结构应力分析 [Stress Analysis of Aircraft Composite Structures] pdf epub mobi txt 电子书 下载 2025

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杨卫平 编

图书标签:

• 复合材料
• 飞机结构
• 应力分析
• 有限元
• 航空工程
• 结构力学
• 损伤力学
• 复合材料力学
• 航空材料
• 结构分析

出版社： 航空工业出版社

ISBN：9787516513552

版次：1

商品编码：12299979

包装：平装

丛书名： 飞机设计技术丛书

外文名称：Stress Analysis of Aircraft Composite Structures

开本：16开

出版时间：2018-01-01

用纸：胶版纸

页数：182

字数：27

内容简介

　　《飞机复合材料结构应力分析》系统地介绍了飞机复合材料结构分析的内容及方法，从复合材料基本力学性能、破坏准则到详细结构设计，从稳定性到连接都进行了详细阐述，同时书中部分章节还提供了实例供学习使用。
　　《飞机复合材料结构应力分析》可以供复合材料初学者学习和参考使用，也可用于工程设计参考。

内页插图

目录

第1章 复合材料背景介绍及应用
1．1 复合材料及发展历史
1．1．1 复合材料定义及分类
1．1．2 复合材料发展历史
1．2 复合材料制备工艺
1．2．1 预浸料手工铺放工艺
1．2．2 模压成形工艺
1．2．3 缠绕成形工艺
1．2．4 树脂传递模塑成形工艺
1．3 复合材料特点
1．4 复合材料在飞机中的应用
参考文献

第2章 层合板力学性能分析
2．1 各向异性弹性材料的本构方程
2．1．1 广义胡克定律
2．1．2 考虑对称性的几种情况
2．1．3 层合板工程常数不变量
2．2 单层正交各向异性材料任意方向的应力应变关系
2．2．1 广义平面问题
2．2．2 单层材料任意方向应力应变转轴公式
2．3 层合板力学性能
2．3．1 层合板表示方法
2．3．2 层合板面内刚度分析
2．3．3 层合板面外弯曲刚度
2．3．4 层合板面内与面外载荷共同作用
2．3．5 层合板面外剪切
2．4 算例分析
2．4．1 算例一：层合板拉伸和弯曲算例
2．4．2 算例二：层合板面外剪切算例
参考文献

第3章 复合材料层合板失效准则
3．1 最大应力失效准则
3．2 最大应变失效准则
3．3 蔡-希尔（Tsai-Hill）失效准则
3．4 蔡-吴（Tsai-Wu）失效准则
3．5 失效准则
3．5．1 诺里斯失效准则
3．5．2 帕克失效判据
3．5．3 霍夫曼失效判据
3．6 算例
参考文献

第4章 复合材料层合板稳定性分析
4．1 正交各向异性矩形层合板的轴压稳定性分析
4．1．1 分析方法
4．1．2 算例
4．2 正交各向异性矩形层合板的剪切屈曲分析
4．2．1 分析方法
4．2．2 算例
4．3 正交各向异性矩形层合板的复合载荷屈曲分析
4．3．1 双向轴压作用下的屈曲分析
4．3．2 压剪复合载荷作用下的屈曲分析
参考文献

第5章 含孔复合材料层合板分析
5．1 开孔层合板应力／应变场分析
5．1．1 方法一：惠特尼-纽斯曼（Whitney-Nuismer）
5．1．2 方法二：NASA方法
5．1．3 方法三：各向同性板理论
5．1．4 方法四：经验法
5．2 相关失效准则
5．2．1 “点应力”失效准则（Whitney和Nuismer）
5．2．2 “平均应力”失效准则（Whitney和Nuismer）
5．2．3 与经验法相关的失效准则
5．2．4 有限断裂力学方法
5．2．5 内部缺陷断裂力学
5．2．6 应用实例
5．3 含紧固件孔层合板失效分析
参考文献

第6章 复合材料夹层结构分析
6．1 快捷分析理论——“夹层”梁
6．1．1 载荷Ny的影响
6．1．2 剪切载Tx的影响
6．1．3 剪切载荷Tz的影响
6．1．4 弯矩Mx的影响
6．1．5 弯矩Mz的影响
6．1．6 变形和等效力学性能
6．2 算例
参考文献

第7章 复合材料夹层结构稳定性分析
7．1 夹层结构压缩稳定性分析
7．1．1 夹层结构在压缩载荷作用下的屈曲
7．1．2 夹层结构在压缩载荷作用下的面板局部失稳
7．1．3 夹层结构在压缩载荷作用下的芯格内屈曲
7．2 夹层结构剪切稳定性分析
7．2．1 夹层结构在剪切载荷作用下的屈曲
7．2．2 夹层结构在面内剪切载荷作用下的面板局部失稳
7．3 混合载荷下夹层结构稳定性分析
7．3．1 夹层结构在混合载荷作用下的屈曲
7．3．2 夹层结构在混合载荷作用下的面板局部失稳
参考文献

第8章 复合材料加筋壁板稳定性分析
8．1 加筋层合板屈曲分析的工程简化方法
8．1．1 加筋层合板的局部屈曲分析
8．1．2 加筋层合板的总体屈曲分析
8．2 轴压下加筋层合板的承载能力估算
8．2．1 分段处理法[2]
8．2．2 有效宽度法[5]
8．3 算例——加筋层合板在轴压下的承载能力计算[2，5]
参考文献

第9章 复合材料胶接连接分析
9．1 胶接连接设计
9．1．1 胶接连接基本型式
9．1．2 胶接连接典型失效模式
9．2 复合材料胶接接头理论分析方法
9．2．1 复合材料双搭接接头解析分析模型
9．2．2 复合材料单搭接接头解析分析模型
9．2．3 复合材料阶梯形搭接接头解析分析模型
9．2．4 复合材料斜切形搭接接头解析分析模型
9．3 复合材料胶接连接接头静强度预测
参考文献

第10章 复合材料胶接修理分析
10．1 复合材料层合板贴补修理分析
10．2 复合材料层合板挖补修理分析
10．3 复合材料层合板胶接修理分析软件
10．4 算例
参考文献

第11章 复合材料机械连接分析
11．1 弹簧质量模型法
11．1．1 不考虑钉孔间隙的弹簧质量模型
11．1．2 考虑钉孔间隙的弹簧质量模型
11．1．3 算例
11．2 有限元方法
11．2．1 二维分析模型中的紧固件（Fastener）单元
11．2．2 三维多体接触分析模型中的接触算法
11．2．3 算例
11．3 复合材料多钉连接强度预测模型
参考文献

第12章 复合材料机械连接修理分析
12．1 紧固件刚度
12．2 机械修理载荷传递分析
12．3 热致载荷的估算
12．4 拉伸载荷作用下复合材料机械连接修理载荷传递估算
12．5 剪切载荷机械修理载荷传递估算
12．6 x方向的一般解法
12．7 算例
12．7．1 机械连接的载荷分析
12．7．2 热致载荷分析
参考文献

前言/序言

　　复合材料结构具有比强度比刚度高、耐疲劳、耐腐蚀、性能可设计等特性，在同等结构情况下可比金属结构减重约20%，可以大大改善飞机的整体性能。因此，复合材料结构越来越受到设计及使用部门的重视，在飞机结构上使用量呈逐年上升趋势。其使用部位遍及现代飞机的主次结构，从整流罩、前后缘等次要受力部位，到副翼、升降舵等操纵面，再到机翼盒段、机身等主承力结构。目前波音787复合材料总用量达50%，空客A350飞机复合材料用量达52%。因此，国内外比较热衷对复合材料结构的分析。
　　本书系统地介绍了复合材料结构分析的内容及方法。全书分为12章。第1章概述了复合材料背景介绍及应用：第2～第3章介绍了复合材料层合板的力学原理及失效准则；第4-第8章系统阐述了复合材料结构稳定性分析的具体内容及方法：第9-第12章是复合材料连接结构分析及修理评估。书中部分章节提供算例供学习使用。
　　由于复合材料结构比较复杂，时至今日，理论分析结果与试验结果还存在一定差距，因此本书抛砖引玉，给复合材料设计人员提供参考，不要之处，敬请读者指正。
　　特别感谢西北工业大学飞行器设计专业老师和同学在本书的编撰和校对过程中付出的辛苦劳动，以及中航复合材料有限责任公司张子龙老师对本书的审阅和修改。
　　本书第9-第12章所涉及的复合材料维修部分的研究工作得到了国家自然科学基金项目“民机复合材料结构维修基础理论与实验验证”（U1233202）的资助，在此表示衷心感谢。

《航空器复合材料结构应力分析》一书，聚焦于当前航空器制造领域日益重要的复合材料结构，深入探讨了其在实际应用中所面临的应力分析挑战。本书旨在为从事航空器设计、研发、制造以及相关领域的工程师、研究人员和学生提供一个全面而深入的理论框架和实践指导。 本书内容涵盖了航空器复合材料结构应力分析的方方面面，从基础理论的梳理到先进分析方法的介绍，再到具体的工程案例分析，力求做到理论联系实际，既有深度又不失广度。 第一部分：复合材料力学基础 首先，本书系统回顾了材料力学的基本概念，并在此基础上，详细阐述了复合材料的微观结构、宏观力学性能以及各项异性的特点。读者将深入了解不同类型复合材料（如碳纤维增强聚合物、玻璃纤维增强聚合物等）的组成、纤维与基体的界面效应，以及这些因素如何影响材料的整体力学行为。 各向异性材料的本构关系： 重点介绍了层合板理论（Laminated Plate Theory）和经典层合板理论（Classical Lamination Theory, CLT），详细推导了单层板和多层板的应力-应变关系。读者将学习如何利用诸如[1]、[2]、[6]等弹性常数来描述复合材料层合板的力学响应。 失效准则： 详细讲解了适用于复合材料的各种失效准则，包括最大应力准则（Maximum Stress Criterion）、最大应变准则（Maximum Strain Criterion）、 Tsai-Wu 准则、Hashin 准则等。这些准则为预测复合材料结构在载荷作用下的失效提供了理论依据。 层合板的几何效应： 探讨了厚度效应、剪切变形等对层合板力学行为的影响，尤其是在分析较厚层合板或低模量基体材料时，这些效应变得尤为重要。 第二部分：数值分析方法在应力分析中的应用 本书强调了现代数值分析方法在处理复杂航空器复合材料结构应力分析中的关键作用。 有限元方法（Finite Element Method, FEM）： 详细介绍了将复合材料结构离散化为有限单元的原理，包括单元类型选择（如壳单元、实体单元）、网格划分策略以及节点位移和单元应力的计算过程。书中将深入解析如何建立精确的有限元模型，并考虑边界条件和载荷的施加。 渐进损伤模型（Progressive Damage Models）： 针对复合材料结构在达到初始失效后仍能继续承受载荷的特点，本书详细介绍了渐进损伤模型的概念和实现方法。读者将学习如何模拟材料损伤的累积过程，预测结构的残余强度和失效模式，这对评估航空器结构的安全性至关重要。 高级数值技术： 探讨了诸如损伤力学（Damage Mechanics）、断裂力学（Fracture Mechanics）在复合材料结构分析中的应用，以及如何利用这些方法来预测裂纹扩展、分层等典型损伤。 第三部分：航空器复合材料结构的典型应力分析 本书将理论和数值方法应用于实际的航空器复合材料结构，分析了其在各种工况下的应力分布和变形行为。 蒙皮-加强筋结构分析： 重点分析了航空器中常见的蒙皮-加强筋（Skin-Stiffener）复合材料结构的应力分布，包括平板、曲面板等。将探讨不同加强筋类型（如 T 形、Z 形、U 形）的设计对结构承载能力的影响。 复杂构件的应力分析： 针对机翼、机身、尾翼等复杂航空器部件，分析了其在气动载荷、地面载荷、惯性载荷以及发动机推力等多种载荷耦合作用下的应力状态。 连接件和界面分析： 深入研究了复合材料结构与其他材料（如金属）之间的连接件（如螺栓连接、铆钉连接、胶接连接）处的应力集中问题。将分析界面失效的模式，并提出设计优化建议。 疲劳与损伤容限分析： 探讨了复合材料结构在重复载荷作用下的疲劳寿命预测，以及损伤容限（Damage Tolerance）的概念，即结构在存在一定损伤的情况下仍能安全运行的能力。 第四部分：设计优化与先进技术 本书的最后部分将目光投向了复合材料结构设计的优化和未来发展方向。 拓扑优化与形貌优化： 介绍了如何利用优化算法（如尺寸优化、形状优化、拓扑优化）来获得更轻质、更高强度的复合材料结构设计。 损伤检测与健康监测： 讨论了无损检测技术（Non-Destructive Testing, NDT）在复合材料结构中的应用，以及健康监测系统（Structural Health Monitoring, SHM）如何实时评估结构的完整性和剩余寿命。 智能化制造与设计： 简要展望了数字化制造、增材制造等先进技术在复合材料结构制造中的应用，以及这些技术如何与应力分析相结合，实现更高效、更优化的设计。 本书的编写风格力求严谨、清晰，通过大量的图表和数学推导，帮助读者理解复杂的概念。同时，文中引用了大量最新的研究成果和工程实践经验，为读者提供前沿的知识。本书的读者群广泛，既是工程实践者的实用手册，也是学术研究者的重要参考。通过阅读本书，读者将能够更深入地理解航空器复合材料结构的力学行为，掌握先进的应力分析技术，从而在航空器设计与制造领域做出更优的决策，为航空航天事业的发展贡献力量。

评分☆☆☆☆☆

我对“飞机的结构载荷与边界条件设定”这一章节有着非常浓厚的兴趣。任何结构分析都离不开对作用在其上的载荷以及约束条件的准确定义，而飞机结构所承受的载荷及其复杂性，是其他工程领域难以比拟的。我希望本书能够详细地介绍飞机在各种典型飞行状态下所承受的载荷类型，例如气动载荷（升力、阻力、力矩）、惯性载荷（由于飞机的加速、减速、振动等）、发动机推力和力矩、起降时的冲击载荷、以及可能遇到的极端天气条件下的载荷等。更重要的是，我期待本书能够阐述如何将这些复杂的载荷转化为数值模型，并准确地设定计算所需的边界条件。边界条件的设定，直接影响到计算结果的准确性，例如机翼的连接处、机身的固定点等，都需要被精确地定义为固支、铰支或者自由边界。我希望书中能够提供一些工程实践中的指导，例如如何根据实际的连接方式来确定边界条件，以及如何处理载荷的分布和集度。

评分☆☆☆☆☆

在我对本书的初步了解中，“复合材料结构的设计指南与规范”这个章节，对我来说具有非常重要的指导意义。航空领域是一个高度规范化的行业，任何设计都必须遵循严格的设计指南和行业标准，以确保飞机的安全性和可靠性。我希望本书能够提供一些关于如何应用现有设计规范来指导复合材料结构的设计和分析的内容。这可能涉及到一些国际或国内的航空设计标准，例如美国联邦航空管理局（FAA）或欧洲航空安全局（EASA）的相关规定。我期待书中能够阐述这些规范中对于复合材料结构强度、刚度、疲劳、损伤容限等方面的具体要求，以及在设计过程中需要遵循的流程和审批程序。此外，我希望本书能够提供一些实际的设计建议，例如如何根据不同的结构部件和载荷情况来选择合适的复合材料类型和铺层设计，以及如何进行设计校核以满足规范的要求。

评分☆☆☆☆☆

在翻阅本书的目录时，“数值模拟方法在复合材料结构应力分析中的应用”这一章节立刻吸引了我的目光。现代工程分析，尤其是复杂结构的分析，很大程度上依赖于强大的数值模拟工具。我作为一名对计算力学充满兴趣的学生，非常期待能够在这本书中深入了解如何运用这些先进的数值方法来解决飞机复合材料结构应力分析中的难题。我希望书中能够详细介绍常用的数值模拟技术，例如有限元分析（FEA），并且能够阐述其在复合材料结构分析中的优势，例如能够处理复杂的几何形状、材料非均质性以及各种载荷和边界条件。我期待书中能够提供一些关于如何建立和优化有限元模型的指导，例如网格划分策略、单元类型选择、以及如何有效地进行模型验证。更重要的是，我希望书中能够通过具体的算例，展示如何利用有限元软件来分析复合材料结构的应力分布、变形以及潜在的失效区域。

评分☆☆☆☆☆

本书的“先进复合材料在飞机结构中的应用案例”章节，对我而言具有极其重要的参考价值。作为一名航空工程领域的爱好者，我一直对最新的航空技术发展动态保持着高度的关注。现代飞机，尤其是新一代的客机和战斗机，大量采用了先进的复合材料，比如碳纤维增强聚合物（CFRP）、玻璃纤维增强聚合物（GFRP）等。这些材料因其轻质高强、优异的耐腐蚀性等特点，在飞机结构中扮演着越来越重要的角色。然而，如何将这些先进材料有效地应用于飞机结构，并对其进行精确的应力分析，却是一个充满挑战的问题。我非常期待本书能够提供一些具体的、具有代表性的应用案例，例如某款飞机的机翼、机身、尾翼等关键部件是如何采用复合材料制造的，以及在设计和分析过程中遇到了哪些特殊的挑战。我希望书中能够深入剖析这些案例中涉及到的具体设计理念、分析方法和技术细节，例如不同复合材料铺层方式的选择，连接结构的应力集中问题，以及在极端工况下的性能评估等。这些实际案例的分析，能够帮助我更好地理解理论知识在工程实践中的应用，并从中汲取宝贵的经验。

评分☆☆☆☆☆

随着现代航空技术的飞速发展，对飞机性能的要求也日益提高，这促使设计者们不断探索更轻质、更强韧的结构材料，而复合材料无疑是其中的佼佼者。我一直对“复合材料的力学性能表征与本构模型”这一章节充满期待。理解材料本身的力学行为是进行任何结构分析的基础，而复合材料由于其非均质性和各向异性，其力学性能的表征比传统金属材料更加复杂。我希望本书能够详细介绍如何准确地测量和描述不同类型复合材料的力学性能，例如杨氏模量、泊松比、剪切模量、抗拉强度、抗压强度、抗剪强度等，并且能够说明在不同加载方向下的性能差异。更重要的是，我希望书中能够深入探讨各种复合材料的本构模型，比如经典的层合板理论、三维本构模型，以及如何根据实验数据来建立和验证这些模型。理解这些本构模型，能够帮助我们精确地计算出复合材料在受力状态下的应力、应变分布，从而为后续的结构设计和分析提供理论依据。我期待书中能够提供清晰的数学推导和物理意义的解释，让我能够真正掌握这些复杂的本构模型。

评分☆☆☆☆☆

“结构优化设计与性能提升”是所有工程学科的最终目标之一，我非常希望能在本书中找到关于如何利用应力分析结果来指导复合材料结构优化设计的相关内容。仅仅进行应力分析是不足够的，真正的价值在于如何根据分析结果来改进设计，使其更加轻质、高效、安全且经济。我期待本书能够介绍一些常用的结构优化技术，例如基于灵敏度分析的优化方法，或者基于启发式算法的优化方法。我希望书中能够详细阐述在复合材料结构优化过程中需要考虑的各种因素，例如材料的铺层方式、厚度分布、形状参数等。更重要的是，我期待能够看到一些实际的案例，展示如何通过结构优化来减轻飞机结构重量，提高结构的刚度和强度，从而提升飞机的燃油效率和飞行性能。这可能涉及到多目标优化问题，我也希望书中能够有所提及。

评分☆☆☆☆☆

我是一名对航空工程领域充满热情，并希望深入理解飞机结构设计背后的科学原理的学生，而本书关于“复合材料损伤机理与失效模式”的章节，正好触及了我最感兴趣的一个方面。飞机在承受各种载荷和环境影响时，复合材料结构可能会出现多种形式的损伤和失效。理解这些损伤的发生机理，以及它们如何逐渐发展并最终导致结构失效，是进行精确应力分析和确保结构安全性的关键。我非常期待书中能够对各种典型的复合材料损伤进行深入的阐述，例如纤维断裂、基体开裂、分层、纤维拔出、孔边效应等。更重要的是，我希望能够了解到这些损伤是如何产生的，例如是由于过载、疲劳、冲击、环境老化还是制造缺陷等原因。此外，本书能够详细介绍不同失效模式的特征和判据，例如脆性断裂、延性失效、失稳屈曲等。如果书中能够结合显微照片或者损伤区域的示意图进行说明，那就更好了，这样能够让我更直观地理解损伤的形态和发展过程。只有充分理解了损伤的根源和失效的路径，才能更有效地进行应力分析，从而设计出更可靠、更安全的复合材料结构。

评分☆☆☆☆☆

这本书的封面设计给我留下了深刻的第一印象。那是一种非常专业且富有科技感的视觉风格，深邃的蓝色背景上，流线型的飞机机翼剪影若隐若现，仿佛在诉说着空气动力学的奥秘。机翼的边缘，隐约可见由无数细密线条组成的网格，这让我立刻联想到书中可能会深入探讨的有限元分析和数值模拟。书名“飞机复合材料结构应力分析”本身就传递出一种严谨、精确的学术气息。我是一名航空工程专业的学生，一直以来都对复合材料在现代飞机设计中的应用充满好奇。以往接触到的复合材料书籍，更多的是从材料本身的宏观性质，如强度、刚度、韧性等方面进行介绍，而本书的书名则直接点明了“应力分析”这一关键环节，这对于理解复合材料结构如何承受各种载荷，以及如何通过设计优化来提高结构的安全性和可靠性，具有至关重要的意义。我特别期待书中能够详细阐述复合材料在不同应力状态下的行为表现，例如拉伸、压缩、弯曲、剪切以及复杂的组合应力。毕竟，飞机在飞行过程中，机身、机翼、尾翼等各个部件都会承受来自气流、自身重量、发动机推力、起降时的冲击以及各种飞行机动的复杂载荷。准确地分析这些载荷对复合材料结构的应力分布，从而预测其潜在的失效模式，是确保飞机安全飞行的基石。我希望这本书能够提供清晰的理论框架，并且能够结合实际案例，让我更直观地理解那些抽象的力学概念。

评分☆☆☆☆☆

在翻阅这本书的目录时，我被其中某些章节的标题深深吸引，例如“损伤容限分析在复合材料结构中的应用”和“疲劳寿命预测与可靠性评估”。这些章节的设置，预示着本书并非仅仅停留在静态的应力计算层面，而是进一步探讨了复合材料结构在长期服役过程中可能遇到的各种复杂问题。飞机在日复一日的飞行任务中，不可避免地会经历各种形式的损伤，比如低速撞击产生的内部分层、纤维断裂，或者是长期运行导致的疲劳裂纹扩展。理解这些损伤如何影响结构的整体承载能力，以及如何在设计中考虑损伤的容忍度，从而保证飞机即使在存在一定损伤的情况下仍能安全飞行，是现代航空设计中至关重要的一环。此外，“疲劳寿命预测”和“可靠性评估”更是直接关系到飞机的维护周期和使用寿命，这对于航空公司降低运营成本、提高飞机利用率，以及对于飞机制造商保证产品质量和市场竞争力都具有不可估量的价值。我期待书中能够提供一套系统的方法论，能够指导工程师如何通过分析材料的疲劳特性、载荷谱以及结构的敏感性，来准确预测结构的疲劳寿命，并在此基础上进行可靠性评估。这其中可能涉及到概率论、统计学以及复杂的计算模型，我非常希望能够在这本书中找到清晰的讲解和实用的指导。

评分☆☆☆☆☆

我一直在寻找一本能够将理论与实践紧密结合的书籍，而本书的“实验验证与数据分析”这一部分，无疑满足了我这方面的期待。在进行任何结构设计时，实验验证都是不可或缺的环节，尤其是在对新材料、新工艺进行评估时。我希望书中能够详细介绍不同类型的复合材料结构应力测试方法，例如单轴拉伸试验、压缩试验、弯曲试验、层合板剪切试验，以及更复杂的模拟飞机实际受力情况的各种试验。更重要的是，我期待书中能够阐述如何将实验数据与理论计算结果进行对比分析，例如通过对比应力-应变曲线来验证有限元模型的准确性，或者通过分析断裂韧度试验结果来校核理论预测的失效载荷。数据分析能力的培养，对于工程师来说同样至关重要，如何从海量实验数据中提取有用的信息，如何识别潜在的误差来源，以及如何利用数据驱动的设计优化，都是我希望在这本书中能够学到的。我尤其对书中可能包含的案例研究感兴趣，比如通过实验分析某个特定飞机部件的应力分布，或者通过对比不同设计方案在实验中的表现来选择最优方案。