飞机结构分析与设计PPT课件
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飞行器结构力学电子教案PPT课件
飞行器结构力学电子教案ppt 课件
目
CONTENCT
录
• 飞行器结构力学概述 • 飞行器结构力学基础知识 • 飞行器结构静力学分析 • 飞行器结构动力学分析 • 飞行器结构疲劳与损伤容限分析 • 飞行器结构优化设计
01
飞行器结构力学概述
定义与特点
定义
飞行器结构力学是研究飞行器结构强度、刚度和稳定性的学科， 主要关注飞行器在各种载荷作用下的响应和行为。
迭代算法
通过不断迭代更新解，逐步逼近最优解，常用的 算法包括梯度下降法、牛顿法等。
飞行器结构优化设计方法
尺寸优化
通过改变结构件的尺寸，以达到最优化的结构性 能。
拓扑优化
在给定的设计区域内，寻找最优的材料分布和连 接方式。
形状优化
通过改变结构的形状，以实现最优的结构性能。
多学科优化
综合考虑多种学科因素，如气动、热、强度等， 进行多学科协同优化。
技术发展
飞行器结构力学的发展推动了航空航天技术的进步 ，为新型飞行器的设计和研发提供了技术支持。
飞行器结构力学的历史与发展
历史
飞行器结构力学的发展可以追溯到20世纪初期，随着航空工 业的快速发展，结构力学逐渐成为飞行器设计的重要学科。
发展
近年来，随着新材料、新工艺和计算技术的不断发展，飞行 器结构力学在理论和实践方面都取得了重要进展。未来，随 着环保要求的提高和新能源的应用，飞行器结构力学将面临 新的挑战和机遇。
损伤容限
指材料或结构在受到损伤后仍能保持一定承载能力的程度，是评估结构剩余寿命的重要 指标。
疲劳与损伤容限分析的必要性
飞行器在服役过程中受到各种复杂载荷的作用，结构疲劳与损伤是不可避免的现象，因 此进行疲劳与损伤容限分析是确保飞行器安全的重要手段。
目
CONTENCT
录
• 飞行器结构力学概述 • 飞行器结构力学基础知识 • 飞行器结构静力学分析 • 飞行器结构动力学分析 • 飞行器结构疲劳与损伤容限分析 • 飞行器结构优化设计
01
飞行器结构力学概述
定义与特点
定义
飞行器结构力学是研究飞行器结构强度、刚度和稳定性的学科， 主要关注飞行器在各种载荷作用下的响应和行为。
迭代算法
通过不断迭代更新解，逐步逼近最优解，常用的 算法包括梯度下降法、牛顿法等。
飞行器结构优化设计方法
尺寸优化
通过改变结构件的尺寸，以达到最优化的结构性 能。
拓扑优化
在给定的设计区域内，寻找最优的材料分布和连 接方式。
形状优化
通过改变结构的形状，以实现最优的结构性能。
多学科优化
综合考虑多种学科因素，如气动、热、强度等， 进行多学科协同优化。
技术发展
飞行器结构力学的发展推动了航空航天技术的进步 ，为新型飞行器的设计和研发提供了技术支持。
飞行器结构力学的历史与发展
历史
飞行器结构力学的发展可以追溯到20世纪初期，随着航空工 业的快速发展，结构力学逐渐成为飞行器设计的重要学科。
发展
近年来，随着新材料、新工艺和计算技术的不断发展，飞行 器结构力学在理论和实践方面都取得了重要进展。未来，随 着环保要求的提高和新能源的应用，飞行器结构力学将面临 新的挑战和机遇。
损伤容限
指材料或结构在受到损伤后仍能保持一定承载能力的程度，是评估结构剩余寿命的重要 指标。
疲劳与损伤容限分析的必要性
飞行器在服役过程中受到各种复杂载荷的作用，结构疲劳与损伤是不可避免的现象，因 此进行疲劳与损伤容限分析是确保飞行器安全的重要手段。
飞机结构与系统(起落架系统)课件
03
起落架系统的关键技术与设计
起落架的材料与制造工艺
要点一
总结词
起落架材料需具备高强度、耐腐蚀、轻质等特点，常用的 材料包括铝合金、钛合金和复合材料等。制造工艺涉及精 密铸造、机械加工、焊接和复合材料成型等多种技术。
Hale Waihona Puke 要点二详细描述起落架是飞机的重要承力结构，需要承受飞机的重量和着 陆时的冲击载荷，因此要求材料具备高强度和耐腐蚀性。 铝合金、钛合金和复合材料等是目前广泛应用的起落架材 料。在制造过程中，精密铸造和机械加工技术用于形成复 杂形状的起落架部件，焊接技术用于将各个部件连接在一 起，而复合材料成型技术则用于制造复合材料起落架。
起落架系统的分类
01
02
03
按收放方式
前三点式起落架、后三点 式起落架。
按支柱结构
构架式起落架、支柱式起 落架。
按轮组布置
单轮式起落架、多轮式起 落架。
02
起落架系统的工作原理
起落架的收放
正常收起
当飞机准备起飞时，起落架通过液压 作动筒和机械连杆等机构，从机翼下 伸出到机腹下，支撑着飞机并承受着 飞机的重量。
起落架的疲劳寿命分析
总结词
考虑到飞机起落架承受循环载荷的特点，疲劳寿命分析是评估起落架可靠性的重要环节 。通过疲劳试验和损伤容限分析等方法，可以预测起落架的使用寿命并制定相应的维护
策略。
详细描述
飞机起落架在服役期间会承受大量的循环载荷，这种载荷会导致起落架材料的疲劳损伤 。为了评估起落架的可靠性，疲劳寿命分析是必不可少的环节。通过疲劳试验和损伤容 限分析等方法，可以了解起落架在不同循环载荷下的性能退化规律，预测其使用寿命，
起落架的刹车与滑行
飞机总体设计PPT课件
经济性能设计
燃油经济性
在保证飞行性能的前提下，通过 优化飞机气动外形、减轻结构重 量、提高发动机效率等措施，降 低飞机的燃油消耗率。
维护经济性
通过采用先进的维护理念和技术 手段，降低飞机的维护成本和停 场时间，提高飞机的出勤率和利 用率。
直接运营成本
包括燃油费、维护费、机组人员 工资等直接与飞机运营相关的成 本。设计中需要考虑如何降低这 些成本以提高飞机的经济性能。
采用遗传算法、模拟退火等启发 式算法，处理飞机设计中的复杂 问题，寻求全局最优解。
利用代理模型对飞机性能进行快 速评估，减少计算量，提高优化 效率。
多学科优化方法探讨
多学科设计优化（MDO）
综合考虑气动、结构、控制等多学科因素，实 现飞机总体设计的协同优化。
分解协调方法
将复杂问题分解为若干子问题，分别进行优化 后再进行协调，降低问题求解难度。
06
确保飞机满足适航法规和标准的要求，包括噪声、排放等 环保指标。
02
飞机总体布局设计
布局形式的选择与特点
常规布局
水平尾翼和垂直尾翼都 放在机翼后面的飞机尾
部。
鸭式布局
水平尾翼位于机翼的前 面，具有较好的大迎角
特性。
无尾布局
没有水平尾翼，靠机翼 后缘襟翼或扰流片等部
件实现俯仰操纵。
三翼面布局
在常规布局上增加一对 鸭翼。
垂直尾翼
主要功能是保持飞机的方 向平衡和操纵飞机的方向 运动。
V型尾翼
由左右两个倾斜的垂直尾 翼组成，像是固定在机身 尾部带大上反角的平尾。
起落架布局设计
前三点式起落架
自行车式起落架
两个主轮对称地布置在飞机重心之后， 前轮位于机身前部。
机身结构
侧向力Pz的传递
Pz与座舱地面 剪流 qPz 平衡；
力矩Mx通过轴 承上的集中力 Pzh/b 与剪流qMt 平衡。
前起落架载荷作用下机身结构受力分析
纵向力Px的传递
Px由轴承上的力Rdx和挡块上的力 Rex 平衡
挡块中力的平衡
轴承加强件中力的平衡
可见，起落架上的力Px、Py 、Pz通过加强框以剪流形式作用 到与加强框相连的H型开剖面薄壁结构上，然后传到中机身。
➢ 前机身的结构 ➢ 前起落架的布置
设备舱
驾驶舱
起落架舱
挡块
电瓶舱
前起落架载荷作用下机身结构受力分析
前起落架的 约束条件 1)轴承能够 提供除 Mz 以外的所有 约束；
2)挡块只能 提供x方向向 后的约束。
前起落架所 受的载荷
集中力 Py、 Pz、Px
Py的传递与平衡
前起落架载荷作用下机身结构受力分析
❖ 机身为圆截面时，增压舱的受力情况最好； ❖ 为椭圆形截面时，框内会产生弯曲内力； ❖ 如果是双圆截面机身，则在两圆弧交汇处会产生分力Fn。
结构特点：
可以在机的一边与蒙皮铆在一起。
四、战斗机增压舱的设计特点 战斗机驾驶员增压舱一般空间小、形状复杂。
水平加强板
弯矩Mx的平衡 剪力P的平衡
加强框上中 的剪流平衡
当平尾置于垂直尾翼上时
当平尾置于垂直尾翼上时
垂直尾翼的垂直载荷传递到加 强框，由加强框将载荷传给机 身蒙皮
垂直尾翼上载荷通过各种 途径传到机身壳体蒙皮中，以 蒙皮中剪流形式向机身中部传 递，达到全机受力平衡。
三、前起落架载荷作用下机身结构受力分析
第十六讲结束
谢谢
V-22飞机
机翼与机身的连接配置
Pz与座舱地面 剪流 qPz 平衡；
力矩Mx通过轴 承上的集中力 Pzh/b 与剪流qMt 平衡。
前起落架载荷作用下机身结构受力分析
纵向力Px的传递
Px由轴承上的力Rdx和挡块上的力 Rex 平衡
挡块中力的平衡
轴承加强件中力的平衡
可见，起落架上的力Px、Py 、Pz通过加强框以剪流形式作用 到与加强框相连的H型开剖面薄壁结构上，然后传到中机身。
➢ 前机身的结构 ➢ 前起落架的布置
设备舱
驾驶舱
起落架舱
挡块
电瓶舱
前起落架载荷作用下机身结构受力分析
前起落架的 约束条件 1)轴承能够 提供除 Mz 以外的所有 约束；
2)挡块只能 提供x方向向 后的约束。
前起落架所 受的载荷
集中力 Py、 Pz、Px
Py的传递与平衡
前起落架载荷作用下机身结构受力分析
❖ 机身为圆截面时，增压舱的受力情况最好； ❖ 为椭圆形截面时，框内会产生弯曲内力； ❖ 如果是双圆截面机身，则在两圆弧交汇处会产生分力Fn。
结构特点：
可以在机的一边与蒙皮铆在一起。
四、战斗机增压舱的设计特点 战斗机驾驶员增压舱一般空间小、形状复杂。
水平加强板
弯矩Mx的平衡 剪力P的平衡
加强框上中 的剪流平衡
当平尾置于垂直尾翼上时
当平尾置于垂直尾翼上时
垂直尾翼的垂直载荷传递到加 强框，由加强框将载荷传给机 身蒙皮
垂直尾翼上载荷通过各种 途径传到机身壳体蒙皮中，以 蒙皮中剪流形式向机身中部传 递，达到全机受力平衡。
三、前起落架载荷作用下机身结构受力分析
第十六讲结束
谢谢
V-22飞机
机翼与机身的连接配置
1飞机总体设计PPT课件
▪ 较精确的计算（重量重心、气动、性能和操 稳等）
▪ 模型吹风试验
12
1.2 什么是飞机总体设计？
❖各阶段的任务—详细设计
▪ 飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够 指导生产的图纸
• 如理论图，运动图，总装配图，构件装配面，零件图，各 系统总装配图，零构件图
▪ 详细的重量计算和强度计算报告 ▪ 大量的实验
来源：W.H. Mason, Virginia理工
31
1.6 设计中的团队协作
❖ 什么是团队协作（Teamwork）?
▪ 不是让大家坐在一起做同样的家庭作业 ▪ 是:
- 一起明确需要解决的问题 - 每个团队成员都负责某一特定任务并开展工作 - 在团队会议上把每项任务的结果集合起来，并且确定：
我们是否已经解决了问题？ - 如果回答是肯定的，那么确定下一步该做什么？
调整试飞 定型试飞
否 决策
是
战术技术要求 及概念性方案
否 决策
是
否 决策
是
否 决策
是
全尺寸样机 研制任务书
原型机
定型试飞 报告
“路漫漫其修远兮......”
生产定型 阶段
建立生产线 稳定工艺 批生产飞机 试飞鉴定
否 决策
是 批生产飞机
交付部队
进一步 改进
6
1.2 什么是飞机总体设计？
❖飞机设计的范围 —主要涉及论证、方案和工程研制阶段
❖工程设计是指设计人员应用自然规律，通 过分析、综合和创造思维将设计要求（系 统要求）转化为一组能完整描述系统的参 数（文档或图纸）的活动过程
3
1.1 什么是飞机设计？
❖飞机设计是指设计人员应用气动、结构、 动力、材料、工艺等学科知识通过分析综 合和创造思维，将设计要求转化为一组能 完整描述飞机的参数的过程
▪ 模型吹风试验
12
1.2 什么是飞机总体设计？
❖各阶段的任务—详细设计
▪ 飞机结构的设计和各系统的设计，绘出能够 指导生产的图纸
• 如理论图，运动图，总装配图，构件装配面，零件图，各 系统总装配图，零构件图
▪ 详细的重量计算和强度计算报告 ▪ 大量的实验
来源：W.H. Mason, Virginia理工
31
1.6 设计中的团队协作
❖ 什么是团队协作（Teamwork）?
▪ 不是让大家坐在一起做同样的家庭作业 ▪ 是:
- 一起明确需要解决的问题 - 每个团队成员都负责某一特定任务并开展工作 - 在团队会议上把每项任务的结果集合起来，并且确定：
我们是否已经解决了问题？ - 如果回答是肯定的，那么确定下一步该做什么？
调整试飞 定型试飞
否 决策
是
战术技术要求 及概念性方案
否 决策
是
否 决策
是
否 决策
是
全尺寸样机 研制任务书
原型机
定型试飞 报告
“路漫漫其修远兮......”
生产定型 阶段
建立生产线 稳定工艺 批生产飞机 试飞鉴定
否 决策
是 批生产飞机
交付部队
进一步 改进
6
1.2 什么是飞机总体设计？
❖飞机设计的范围 —主要涉及论证、方案和工程研制阶段
❖工程设计是指设计人员应用自然规律，通 过分析、综合和创造思维将设计要求（系 统要求）转化为一组能完整描述系统的参 数（文档或图纸）的活动过程
3
1.1 什么是飞机设计？
❖飞机设计是指设计人员应用气动、结构、 动力、材料、工艺等学科知识通过分析综 合和创造思维，将设计要求转化为一组能 完整描述飞机的参数的过程
现代飞机结构与总体设计ppt课件
❖ 通常垂直尾翼后缘设有方向舵，某些高速飞机，
没有独立的方向舵，整个垂尾跟着操纵而偏转， 称为全动垂尾。
18
水平尾翼
飞机的结构
❖ 水平尾翼水平安装在机身尾部，主要功能为保持 俯仰平衡和俯仰操纵。
❖ 低速飞机水平尾翼前段为水平安定面，是不可操 纵的，其后缘设有升降舵，飞行员利用升降舵进行 俯仰操纵。
36
什么是飞机设计
❖飞机设计是指设计人员应用气动、结构、 动力、材料、工艺等学科知识通过分析综 合和创造思维，将设计要求转化为一组能 完整描述飞机的参数的过程
37
什么是飞机设计
❖飞机研制过程 —五个阶段的划分方式
▪ 论证阶段 —研究设计新飞机的可行性
▪ 方案阶段 —设计出可行的飞机总体技术方案
▪ 工程研制阶段 —进行详细设计，提供图纸试制原型机
飞机结构与总体设计
蔡波
通航产品部
主要内容
❖1.现代飞机结构 ❖2.飞机总体设计
2
航空发展历程
➢第一次有动力飞行
❖ 自从1903年12月17号，莱特兄弟的“飞行者”一号离开地 面的那刻起，人类已经开始把目光投向天空，此后的一百多 年来，这片领域已经发生了翻天覆地的变化。
3
航空发展历程
4
航空发展历程
也有三、四或六叶的。
26
飞机的结构
发动机的分类
二 涡轮喷气发动机： ❖ 又称空气涡轮喷气发动机，简称“涡喷” ❖ 以空气为氧化剂，靠喷管高速喷出的燃气产生反
作用推力的燃气涡轮航空发动机，。 ❖ 组成：压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管。推力用
牛或千克表示。
27
飞机的结构
发动机的分类
三 涡轮螺旋桨发动机： ❖从涡喷发动机派生而来 ❖涡轮螺旋桨发动机是一种由螺旋桨提供拉力和喷气
飞机结构与系统(第三章 飞机翼面结构) PPT
三、机翼的外载特点
机翼在外载荷下的变形
机翼与外载荷相平衡的内力
三、机翼的外载特点
3. 内力分布及结构特点：
• 分布力作用下： • （从翼尖到翼根）内力逐渐
③使用、维修要求：保证燃油系统的可靠性； ④工艺性和经济性要求，与一般飞机结构相同。
二、尾翼的功用与结构设计要求 1. 尾翼的主要功用：
一般由水平尾翼（平尾）和垂直尾翼（垂尾）组成。
二、尾翼的功用与结构设计要求 1. 尾翼的主要功用：
1）平尾保证飞机的纵向（俯仰）稳定性，并实施飞机纵向的 操纵； 2）垂尾保证飞机航向稳定性，并实施对飞机航向的操纵。
杆件基本变形形式 1.拉伸或压缩
杆件基本变形形式 2.剪切
杆件基本变形形式 3.扭转
杆件基本变形形式 4.弯曲
若同时发生几种基本变形， 则称为组合变形。
一、机翼的功用与结构设计要求
1.机翼的功用
1）主要功用是产生升力，保证飞机的飞行性能和机动性能； 布置副翼、扰流片等进行横向操纵；布置襟翼、缝翼增升装 置改善飞机起降性能。 2）安装其它部件，如
• 静载荷：载荷缓慢地由零增加到某一定值后， 就保持不变或变动很不显著，称为静载荷。
• 动载荷：载荷随时间变化，可分为交变载荷和 冲击载荷。
内力、截面法和应力的概念
1.内力：
由于变形引起的物体内部的 附加力。
物体受外力作用后，由于变 形，其内部各点均会发生相对 位移，因而产生相互作用力。
内力、截面法和应力的概念 2.截面法：
二、尾翼的功用与结构设计要求
1. 尾翼的主要功用：
尾翼也是一个升力面，设计要求和构造与机翼类似 ：
• 保证气动性； • 具有足够强度、刚度、损伤容限、寿命，最小重量。
B737飞机结构及起落架概述ppt课件
向上推门并略微向右到第一个止动爪。然后向右 侧推门到完全打开止动爪。 当该门完全打开时，滚轮滑轨末端的弹簧锁可折 叠起来以改善对设备支架的接近性。在滑轨末端 的弹簧锁可将滑轨保持在折叠或非折叠位置。
电子科技大学成都学院
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
飞行操纵面（P20）
电子科技大学成都学院
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
舱门介绍
舱门类型： － 前后登机门 － 前后厨房勤务门 － 紧急出口门（驾驶员滑动窗） － 货舱门 － 机内门（机组门和厕所门） － 各种接近门。
电子科技大学成都学院
控制台
控制台
电子科技大学成都学院
P8后电子面板
电子科技大学成都学院
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
驾驶舱仪表板
P5后顶板
电子科技大学成都学院
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
课程介绍
课程任务
1）系统介绍B737-NG飞机结构、系统特点和起落架构造； 2）培养理论与实践并重的航空机务维护类技能型人才；
预期目标
冀望同学们通过本课程的学习，能更多地了解B737系列飞 机的构造，累积一定的机务维护、系统调试和结构修理等方面 的实用技术。
电子科技大学成都学院
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
飞行操纵面（P20）
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舱门介绍
舱门类型： － 前后登机门 － 前后厨房勤务门 － 紧急出口门（驾驶员滑动窗） － 货舱门 － 机内门（机组门和厕所门） － 各种接近门。
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控制台
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P8后电子面板
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P5后顶板
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火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
火灾袭来时要迅速疏散逃生，不可蜂 拥而出 或留恋 财物， 要当机 立断， 披上浸 湿的衣 服或裹 上湿毛 毯、湿 被褥勇 敢地冲 出去
课程介绍
课程任务
1）系统介绍B737-NG飞机结构、系统特点和起落架构造； 2）培养理论与实践并重的航空机务维护类技能型人才；
预期目标
冀望同学们通过本课程的学习，能更多地了解B737系列飞 机的构造，累积一定的机务维护、系统调试和结构修理等方面 的实用技术。
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现代飞机的结构越来越复杂，结构设计人员要掌 握现代科学技术的新成果，采用先进的设计方法 和技术，才能设计出成功的结构。
• 下面简要介绍几种以计算机技术为基础的重要
的设计方法和技术
1. 有限元素法
2. 结构优化设计
3. 数字化设计（自学）
4. 多学科设计优化（自学）
2021/3/7
6
12.2.1 结构有限元分析
1. 单元模型。如杆单元与梁单元，板单元与体单元。 2. 单元的剖分数量。如 应力集中处单元剖分密度要大。
开 孔 板 网 格 剖 分 图
3. 单元插值函数的选取。
2021/3/7
14
三、有限元模型化原则
模型化工作，就是把实际结构的力学问题化为一种能够 用有限元法求解的力学模型。建立合理的力学模型是有 限元法的关键。
12
有限元法解体操作的典型步骤
单元 剖分
单元分析、 建立单元 刚度方程
结构整体分析、 组集总体刚度方
程 {F}=[K]{}
数值求解节点位
移: {}=[K]-1{F}
实例
结构内任意点处的 应力、应变分析
单元分析、 单元刚度方程
有限元法解题的步骤和过程图
2021/3/7
13
影响有限元法计算精度的因素
12.1 飞机结构设计思想的发展过程
• 飞机结构设计必须保证结构有良好的安全可靠性。 随着科学技术的发展，飞机结构设计的准则、要 求、方法和内容均有很大的发展。
飞机结构设计思想发展过程
20世纪 / 40年代 / 50、60年代 / 70年代
只考虑强度、刚 度设计→静、动 强度设计
静强度、动强 破损安全、耐
一、有限元素法在结构设计的作用 二、有限元素法的基本概念 三、有限元模型化原则 四、有限元软件
2021/3/7
7
一、有限元素法在结构设计的作用
➢ 结构设计的具体过程：
结构的失效判据
具体结构外 载荷、边界 条件等
结构的应力、 应变分析
评估结构 承载能力、 使用寿命、 可靠性等
修改、完 善设计， 制定试验 方案 等等
年 代 50 年 代
60 年 代
80 年 代
设计方法 定性分析和初 较精确的定量设 并行工程方法—全 步定量设计 计和优化设计 寿命周期的系统化 设计方法
简单分析模型、 大型复杂的模型、除了已有的技术外， 科技水平 经验及解析分 有限元技术、数 还有系统工程等理
析法
值分析法
论
2021/3/7
5
• 随着飞机性能的提高、新材料和新技术的应用，
2021/3/7
16
四、有限元软件
有限元法通用软件的结构
几何参数 材料性能 载荷 边界条件
有限元模型 前置处理
有限元 分析
有限元模型的建立 和数据输入阶段
数值计 算阶段
节点位移打印清单
应力值打印清单
后置 处理
位移图形显示 等参数线图形显示
单元彩色变化图
度和疲劳安全 久性、损伤容
寿命设计
限设计等要求
2021/3/7
目前
保证结构的 完整性
3
12.1 飞机结构设计思想的发展过程
静强度和刚度设阶段 强度、刚度、疲劳安全寿命设计阶段 强度、刚度、损伤容限和耐久性设计阶段 结构可靠性设计试用阶段
20世纪 / 40年代 / 50、60年代 / 70年代
飞机结构分析与设计
20ห้องสมุดไป่ตู้1/3/7
第二讲
1
第12章的主要内容
结构设计思想的发展 现代结构设计方法简介
✓ 有限元素法 ✓ 结构优化设计 ✓ 数字化设计（自学） ✓ 多学科设计优化（自学）
重点掌握：
➢ 各种结构设计思想之间的差别；
➢ 各种设计方法的思想或原理。
2021/3/7
2
第12章 飞机结构设计思想和方法
不恰当的模型化会带来失真或误差，甚至导致计算失败。
好的计算模型要利用以往成功的经验，经过反复论证和
必要的试验才能产生。
2021/3/7
15
有限元模型化原则
有限元模型化的最基本原则是： 必须确保这一力学模型
能够模拟实际结构的主要力学状态，并尽可能减少模拟 误差。 这一原则从三方面把握：
1. 结构的力学特征：抓住主要矛盾，选取合适单元 2. 载荷模拟 ：确定载荷的性质和量值 3. 支承模拟 ：即边界条件的确定，但较困难
只考虑强度、刚
度设计→静、动
强度设计
静强度、动强 破损安全、耐
度和疲劳安全 久性、损伤容
寿命设计
限设计等要求
每种思想的（1）当时技术发展背景；
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（2）设计准则
目前
保证结构的 完整性
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12.2 飞机结构设计方法
• 飞机结构设计方法随着科学与技术的发展在不断进步。
飞机结构设计方法发展情况表
全机有限元计算模型
机翼、机身计算模型
它是一种近似数值分析方法，因 为其求解的基本方程是一个代数方程 组，而不是描述真实连续体场变量的 微分方程组。
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单元 单元的形式可以区分为
（1）按几何形状：一维、二维或三维； （2）按节点参数： Lagrange族（只包含场函数的节点值）
或Hermite族（还包含场函数导数的节点值）； （3）按插值函数：Lagrange多项式或Hermite多项式； （4）按单元坐标：笛卡儿坐标或自然坐标。
3. 单元的形状合理。每个单元应尽量趋近于正多边形或 正多面体，不能出现面积很小的二维尖角元或体积很
小的三维薄元。
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网格剖分
4. 网格的密度分布合理。分析值变化梯度大的区域需要细 化网格。
5. 相临单元的边界相容，不能从一个单元的边或面的内部 产生另一个单元的顶点。
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这些区分法在有限元素法的专门课程中会介绍，这里
简单介绍一下第一种分法的元素
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网格剖分
有限元网格剖分应满足以下条件：
1. 单元之间不能相互重叠或分离，要与原结构的占有空 间相容。
2. 单元应精确逼近原结构。即：所有原结构的顶点都应 取为单元的顶点，所有网格的表面顶点都应落在原结 构表面，所有原结构的边和面都被单元的边和面所逼 近。
有限元素法
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有限元分析在结 构设计中的作用
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二、有限元素法的基本概念
有限元法的定义 单元 网格剖分 有限元法解题操
作的典型步骤
影响有限元法计 算精度的因素
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有限元素法的定义
有限元素法是将一个形状复杂的 连续体分解为有限个形状简单的子区 域，即将一个连续体简化为由有限个 单元组成的等效组合体，把求解连续 体的场变量（应力、位移等）问题简 化为求解有限个单元节点上的场变量 值。
• 下面简要介绍几种以计算机技术为基础的重要
的设计方法和技术
1. 有限元素法
2. 结构优化设计
3. 数字化设计（自学）
4. 多学科设计优化（自学）
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12.2.1 结构有限元分析
1. 单元模型。如杆单元与梁单元，板单元与体单元。 2. 单元的剖分数量。如 应力集中处单元剖分密度要大。
开 孔 板 网 格 剖 分 图
3. 单元插值函数的选取。
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三、有限元模型化原则
模型化工作，就是把实际结构的力学问题化为一种能够 用有限元法求解的力学模型。建立合理的力学模型是有 限元法的关键。
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有限元法解体操作的典型步骤
单元 剖分
单元分析、 建立单元 刚度方程
结构整体分析、 组集总体刚度方
程 {F}=[K]{}
数值求解节点位
移: {}=[K]-1{F}
实例
结构内任意点处的 应力、应变分析
单元分析、 单元刚度方程
有限元法解题的步骤和过程图
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影响有限元法计算精度的因素
12.1 飞机结构设计思想的发展过程
• 飞机结构设计必须保证结构有良好的安全可靠性。 随着科学技术的发展，飞机结构设计的准则、要 求、方法和内容均有很大的发展。
飞机结构设计思想发展过程
20世纪 / 40年代 / 50、60年代 / 70年代
只考虑强度、刚 度设计→静、动 强度设计
静强度、动强 破损安全、耐
一、有限元素法在结构设计的作用 二、有限元素法的基本概念 三、有限元模型化原则 四、有限元软件
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一、有限元素法在结构设计的作用
➢ 结构设计的具体过程：
结构的失效判据
具体结构外 载荷、边界 条件等
结构的应力、 应变分析
评估结构 承载能力、 使用寿命、 可靠性等
修改、完 善设计， 制定试验 方案 等等
年 代 50 年 代
60 年 代
80 年 代
设计方法 定性分析和初 较精确的定量设 并行工程方法—全 步定量设计 计和优化设计 寿命周期的系统化 设计方法
简单分析模型、 大型复杂的模型、除了已有的技术外， 科技水平 经验及解析分 有限元技术、数 还有系统工程等理
析法
值分析法
论
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• 随着飞机性能的提高、新材料和新技术的应用，
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四、有限元软件
有限元法通用软件的结构
几何参数 材料性能 载荷 边界条件
有限元模型 前置处理
有限元 分析
有限元模型的建立 和数据输入阶段
数值计 算阶段
节点位移打印清单
应力值打印清单
后置 处理
位移图形显示 等参数线图形显示
单元彩色变化图
度和疲劳安全 久性、损伤容
寿命设计
限设计等要求
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目前
保证结构的 完整性
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12.1 飞机结构设计思想的发展过程
静强度和刚度设阶段 强度、刚度、疲劳安全寿命设计阶段 强度、刚度、损伤容限和耐久性设计阶段 结构可靠性设计试用阶段
20世纪 / 40年代 / 50、60年代 / 70年代
飞机结构分析与设计
20ห้องสมุดไป่ตู้1/3/7
第二讲
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第12章的主要内容
结构设计思想的发展 现代结构设计方法简介
✓ 有限元素法 ✓ 结构优化设计 ✓ 数字化设计（自学） ✓ 多学科设计优化（自学）
重点掌握：
➢ 各种结构设计思想之间的差别；
➢ 各种设计方法的思想或原理。
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第12章 飞机结构设计思想和方法
不恰当的模型化会带来失真或误差，甚至导致计算失败。
好的计算模型要利用以往成功的经验，经过反复论证和
必要的试验才能产生。
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有限元模型化原则
有限元模型化的最基本原则是： 必须确保这一力学模型
能够模拟实际结构的主要力学状态，并尽可能减少模拟 误差。 这一原则从三方面把握：
1. 结构的力学特征：抓住主要矛盾，选取合适单元 2. 载荷模拟 ：确定载荷的性质和量值 3. 支承模拟 ：即边界条件的确定，但较困难
只考虑强度、刚
度设计→静、动
强度设计
静强度、动强 破损安全、耐
度和疲劳安全 久性、损伤容
寿命设计
限设计等要求
每种思想的（1）当时技术发展背景；
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（2）设计准则
目前
保证结构的 完整性
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12.2 飞机结构设计方法
• 飞机结构设计方法随着科学与技术的发展在不断进步。
飞机结构设计方法发展情况表
全机有限元计算模型
机翼、机身计算模型
它是一种近似数值分析方法，因 为其求解的基本方程是一个代数方程 组，而不是描述真实连续体场变量的 微分方程组。
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单元 单元的形式可以区分为
（1）按几何形状：一维、二维或三维； （2）按节点参数： Lagrange族（只包含场函数的节点值）
或Hermite族（还包含场函数导数的节点值）； （3）按插值函数：Lagrange多项式或Hermite多项式； （4）按单元坐标：笛卡儿坐标或自然坐标。
3. 单元的形状合理。每个单元应尽量趋近于正多边形或 正多面体，不能出现面积很小的二维尖角元或体积很
小的三维薄元。
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网格剖分
4. 网格的密度分布合理。分析值变化梯度大的区域需要细 化网格。
5. 相临单元的边界相容，不能从一个单元的边或面的内部 产生另一个单元的顶点。
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这些区分法在有限元素法的专门课程中会介绍，这里
简单介绍一下第一种分法的元素
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网格剖分
有限元网格剖分应满足以下条件：
1. 单元之间不能相互重叠或分离，要与原结构的占有空 间相容。
2. 单元应精确逼近原结构。即：所有原结构的顶点都应 取为单元的顶点，所有网格的表面顶点都应落在原结 构表面，所有原结构的边和面都被单元的边和面所逼 近。
有限元素法
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有限元分析在结 构设计中的作用
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二、有限元素法的基本概念
有限元法的定义 单元 网格剖分 有限元法解题操
作的典型步骤
影响有限元法计 算精度的因素
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有限元素法的定义
有限元素法是将一个形状复杂的 连续体分解为有限个形状简单的子区 域，即将一个连续体简化为由有限个 单元组成的等效组合体，把求解连续 体的场变量（应力、位移等）问题简 化为求解有限个单元节点上的场变量 值。