本書立足于介紹考慮基本力學原理和航天工程中各種實際約束情況下的飛行器結構設計方法。
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本書所說的結構設計方法是指導彈、火箭、衛(wèi)星等飛行器的結構設計方法。飛行器的結構分系統(tǒng)是保證其他分系統(tǒng)功能實現(xiàn)的基礎。結構系統(tǒng)設計的好壞，將直接影響到其他分系統(tǒng)以及整個飛行器系統(tǒng)功能的實現(xiàn)和性能的優(yōu)劣。因此，結構設計是飛行器設計的主要內(nèi)容之一。結構設計是一個創(chuàng)造的過程，需要設計人員既要對現(xiàn)有的各種相關飛行器結構有一定的了解，又要掌握現(xiàn)代的先進設計方法；同時結構設計又是一項具有嚴格要求的工作，創(chuàng)造的成果“飛行器結構”既要滿足強度、剛度、尺寸穩(wěn)定性等設計要求，還要滿足其他各種設計約束條件。本書正是從這兩個方面出發(fā)，既介紹飛行器結構設計的基本原理與方法，也介紹飛行器結構典型部件結構形式，最后還對包含作者近些年研究成果的先進結構設計方法進行介紹，力求讓學習本書的人員掌握飛行器結構設計的基本方法，初步具有對飛行器結構進行分析與設計的能力。
本書是高等院校飛行器設計、固體力學等學科本科生或研究生的教材。全書共11章。前3章為本書第一部分。第1章從整體上介紹飛行器結構的概念與組成、研制過程、設計的基本內(nèi)容、強度設計方法等內(nèi)容；第2章以飛行器常見結構中較為簡單的桿系結構為例，介紹飛行器結構設計與分析的基本原理與基本方法；第3章介紹與飛行器結構設計密切相關的結構力學理論與分析方法，包括彈性力學基本理論、飛行器結構中常用的梁板殼理論、復合材料結構力學理論、結構穩(wěn)定性理論、熱彈性理論等，在數(shù)值求解方法部分主要介紹有限元方法基本原理、結構分析模型的建立、結構靜力分析、模態(tài)分析、動態(tài)響應分析、熱變形及熱應力分析等內(nèi)容。第4～8章為本書第二部分。這一部分以彈翼、彈身、推進劑貯箱、中心承力筒和密封艙等為例，介紹飛行器中典型構件或部件的結構形式、設計原理和設計方法。第9～11章為本書第三部分，分別介紹現(xiàn)代飛行器中常用結構——復合材料結構的設計方法、現(xiàn)代飛行器結構設計中常用的優(yōu)化設計方法、體現(xiàn)先進設計理念和極具應用前景的CAD/CAE-體化設計的結構設計方法等。本書內(nèi)容繁簡得當、寫作精練易懂、與工程實際結合緊密。傳統(tǒng)與現(xiàn)代設計方法、傳統(tǒng)與現(xiàn)代材料、結構理論與工程應用等方面在書中均有涉及，各高�？梢愿鶕�(jù)學生的基礎選擇性地講解其中內(nèi)容，有利于教師組織教學與學生學習。
參加本教材編寫的有李道奎、李謹、張瑞明和沈重，李道奎任主編。其中李道奎編寫第1～7章，張瑞明編寫第8章，李謹編寫第9章和第10章，沈重編寫第11章，最后由李道奎統(tǒng)稿。本書在編寫過程中，參考了一些同類優(yōu)秀教材并引用了其中部分內(nèi)容，得到了國防科學技術大學許多同志的支持與幫助，特別是得到了負責錄入和校對的老師和研究生的幫助，在此一并表示感謝。
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 引言 1
1.2 飛行器結構的概念與組成 1
1.2.1 飛行器結構的概念與分類 1
1.2.2 飛行器結構的形式與組成 2
1.3 飛行器結構的研制過程 5
1.3.1 火箭、導彈結構的研制過程 5
1.3.2 航天器結構的研制過程 7
1.4 飛行器結構設計的主要工作 12
1.4.1 結構設計的特點與原則 12
1.4.2 結構設計的技術要求 15
1.4.3 構型設計 17
1.4.4 結構形式、材料和連接方式的選擇 17
1.4.5 結構設計參數(shù)的確定 20
1.5 飛行器結構強度設計 21
1.5.1 強度準則 22
1.5.2 結構強度驗證 25
第2章 桿系結構設計與分析 28
2.1 引言 28
2.2 桿系結構簡介 28
2.2.1 桿系結構的形式 28
2.2.2 桿系結構的功能 29
2.2.3 桿系結構的設計要求 29
2.2.4 桿系結構的材料 30
2.3 桿系結構的整體構型設計與選材 30
2.3.1 整體構型的選型設計 30
2.3.2 整體構型的布局優(yōu)化設計 31
2.3.3 桿系結構的選材 33
2.4 桿件的設計 35
2.4.1 桿件設計方法 35
2.4.2 火箭桿式級間段的桿件設計 36
2.5 桿系結構的接頭設計 42
2.5.1 接頭設計方法 42
2.5.2 火箭桿式級間段的接頭設計 44
2.6 桿系結構的應用 45
2.6.1 作為主結構的應用 45
2.6.2 作為次結構的應用 47
2.7 桿系結構的分析 48
2.7.1 桿系的幾何不變性 48
2.7.2 靜定桿系結構分析 52
2.7.3 靜不定桿系結構分析 60
2.7.4 薄壁桿件理論簡介 67
第3章 飛行器結構力學理論與分析方法 71
3.1 引言 71
3.2 飛行器結構力學理論及其解析求解 71
3.2.1 彈性力學理論 72
3.2.2 梁理論 74
3.2.3 板殼理論 76
3.2.4 復合材料結構力學理論 84
3.2.5 結構穩(wěn)定性理論 87
3.2.6 熱彈性理論 91
3.3 飛行器結構分析 95
3.3.1 結構有限元方法的基本原理 95
3.3.2 結構分析模型的建立 99
3.3.3 結構靜力分析 104
3.3.4 結構模態(tài)分析 108
3.3.5 結構動態(tài)響應分析 115
3.3.6 結構熱變形及熱應力分析 120
第4章 彈翼結構設計 123
4.1 引言 123
4.2 彈翼的功用與設計要求 123
4.2.1 彈翼的功用 123
4.2.2 彈翼的設計要求 124
4.3 彈翼的結構形式 125
4.3.1 骨架蒙皮式彈翼 125
4.3.2 整體壁板式彈翼 127
4.3.3 夾層結構式彈翼 129
4.4 彈翼的傳力分析 131
4.4.1 傳力分析的概念 131
4.4.2 單梁式彈翼的傳力分析 132
4.5 骨架蒙皮式彈翼的設計 140
4.5.1 翼梁的設計 141
4.5.2 翼肋的設計 142
4.5.3 桁條的設計 144
4.5.4 蒙皮和屏格尺寸的設計 145
4.5.5 彈翼的校核計算 146
4.6 其他形式彈翼的設計 146
4.6.1 小展弦比整體壁板式彈翼的設計 146
4.6.2 夾層結構式彈翼的設計 149
4.7 彈翼與彈身的連接設計 152
4.7.1 耳片式接頭 152
4.7.2 多榫式接頭 153
4.7.3 軸式接頭 155
4.7.4 插入式接頭 155
4.7.5 盤式接頭 155
4.7.6 燕尾槽式接頭 156
第5章 彈身結構設計 158
5.1 引言 158
5.2 彈身的功用與設計要求 158
5.2.1 彈身的功用 158
5.2.2 彈身的設計要求 158
5.2.3 彈身的受載特點 159
5.3 彈身的結構形式 159
5.3.1 蒙皮骨架式結構 160
5.3.2 整體壁板式結構 162
5.3.3 構架式結構 162
5.4 彈身的傳力分析 163
5.4.1 橫向集中載荷的傳遞 164
5.4.2 縱向集中載荷的傳遞 164
5.4.3 隔框的傳力分析 166
5.4.4 彈身開口處的傳力分析 168
5.5 薄壁結構彈身的設計計算 169
5.5.1 設計計算的基本步驟 169
5.5.2 彈身截面的設計計算 170
5.5.3 框的設計計算 174
5.6 彈身艙段的設計 176
5.6.1 彈身艙段結構布局設計 176
5.6.2 相鄰艙段的受力協(xié)調(diào)問題 177
5.6.3 彈身的開口問題 178
5.6.4 彈身艙段的密封 179
5.6.5 設備的安裝 182
5.7 彈身艙段連接的設計 184
5.7.1 連接偏差 184
5.7.2 艙段的主要連接形式 186
第6章 推進劑貯箱結構設計 191
6.1 引言 191
6.2 貯箱的分類與設計要求 191
6.2.1 貯箱的分類與組成 191
6.2.2 貯箱的設計要求 193
6.3 殼段與短殼的結構設計 194
6.3.1 殼段與短殼的結構形式 194
6.3.2 硬殼式殼體結構的設計計算 196
6.3.3 半硬殼式殼體結構的設計計算 196
6.3.4 網(wǎng)格加筋式殼體結構的設計計算 198
6.3.5 放射肋加筋短殼的設計計算 199
6.4 箱底設計 200
6.4.1 箱底的設計分析 201
6.4.2 箱底的優(yōu)化選擇 202
6.4.3 開孔的應力集中 204
6.4.4 共底設計 205
6.4.5 防熱底設計 206
6.5 防晃設計 207
6.5.1 防晃措施 207
6.5.2 防晃板的分類及其應用 209
6.6 流出口與防漩設計 210
6.6.1 推進劑流出口設計 211
6.6.2 防漩裝置設計 213
6.7 消能器設計 214
6.7.1 消能器的作用 214
6.7.2 典型的消能器設計 214
第7章 中心承力筒結構設計 216
7.1 引言 216
7.2 中心承力筒的功能與設計要求 216
7.2.1 中心承力筒的功能 216
7.2.2 中心承力筒的設計要求 217
7.3 中心承力筒的結構形式與特點 218
7.3.1 中心承力筒的結構形式 218
7.3.2 中心承力筒的結構特點 219
7.4 桁條加筋中心承力筒的設計與分析 220
7.4.1 筒體設計 220
7.4.2 連接設計 224
7.4.3 設計計算 225
7.5 蜂窩夾層中心承力筒的設計與分析 226
7.5.1 筒體設計 226
7.5.2 連接設計 228
7.5.3 設計計算 231
第8章 密封艙結構設計 235
8.1 引言 235
8.2 密封艙的功用與設計要求 235
8.2.1 密封艙的功用 235
8.2.2 密封艙的設計要求 237
8.3 密封艙的結構形式 238
8.3.1 密封艙的分類 238
8.3.2 密封艙結構的外形 238
8.3.3 密封艙結構的組成 240
8.4 密封艙結構設計與分析 241
8.4.1 艙體結構設計 241
8.4.2 艙體結構分析 242
8.4.3 艙門結構設計 244
8.5 密封裝置設計 245
8.5.1 密封方法 245
8.5.2 密封材料 246
8.5.3 密封圈設計 249
8.5.4 密封連接設計 251
第9章 復合材料結構設計 254
9.1 引言 254
9.2 復合材料的分類與特點 254
9.2.1 復合材料的分類 254
9.2.2 復合材料的性能特點 256
9.3 復合材料結構的設計要求和選材 257
9.3.1 復合材料結構的設計要求 257
9.3.2 復合材料結構的設計步驟 258
9.3.3 復合材料結構的選材 259
9.4 復合材料層合板設計 262
9.4.1 層合板設計的一般原則 262
9.4.2 層合板的設計方法 263
9.4.3 加筋層合板的設計方法 266
9.5 復合材料連接結構設計 267
9.5.1 膠接連接設計 267
9.5.2 機械連接設計 268
第10章 結構優(yōu)化設計 270
10.1 引言 270
10.2 結構優(yōu)化設計的概念與分類 270
10.2.1 結構優(yōu)化設計的基本概念 270
10.2.2 結構優(yōu)化設計的分類 271
10.3 優(yōu)化設計的數(shù)學模型 272
10.3.1 設計變量 272
10.3.2 約束條件 273
10.3.3 目標函數(shù) 275
10.3.4 優(yōu)化模型的數(shù)學描述 276
10.4 優(yōu)化算法 277
10.4.1 數(shù)學規(guī)劃法 277
10.4.2 最優(yōu)準則法 279
10.4.3 仿生學方法 281
10.5 結構優(yōu)化設計的步驟 284
10.5.1 數(shù)學模型的建立 284
10.5.2 優(yōu)化計算 285
10.5.3 優(yōu)化結果的分析 286
第11章 CAD/CAE一體化設計 288
11.1 引言 288
11.2 基于構件的CAD建模 288
11.2.1 CAD建模的技術思路 288
11.2.2 CAD建模規(guī)范 289
11.2.3 CAD參數(shù)化模板技術實現(xiàn)方案 292
11.2.4 運載火箭典型結構參數(shù)化模板及裝配 294
11.3 基于模板的CAE分析 305
11.3.1 CAE分析模板實現(xiàn)方案 305
11.3.2 運載火箭典型構件CAE分析模板 309
11.3.3 運載火箭整體結構CAE分析模板 315
11.4 基于CAD/CAE一體化的殼體結構優(yōu)化 320
11.4.1 優(yōu)化設計方法 321
11.4.2 模型集成技術 323
11.4.3 運載火箭殼體結構優(yōu)化 324
參考文獻 330
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