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出版者:

作者:Bisplinghoff, Raymond L./ Ashley, Holt

出品人:

页数:544

译者:

出版时间:2002-5

价格:$ 67.24

装帧:

isbn号码:9780486495002

丛书系列:

图书标签:

• 工程
• Aeroelasticity
• Fluid-Structure Interaction
• Aircraft Stability
• Vibration
• Structural Dynamics
• Aerodynamics
• Finite Element Method
• Computational Mechanics
• Engineering
• Aeronautical Engineering

《航空结构动力学基础：理论与应用》 导言：理解空气动力与结构耦合的复杂性 航空航天工程领域的研究，始终围绕着如何使飞行器在各种复杂气动环境中安全、高效地运行。在高速飞行器，特别是现代客机、战斗机和无人机的设计中，结构动力学与空气动力学的相互作用，即气动弹性力学（Aeroelasticity），是决定飞行器性能和安全性的关键因素之一。然而，在深入探究气动弹性学的具体理论之前，我们必须先构建一个坚实的基础，即理解结构在空气中受力时的动态响应特性，以及这些特性如何影响整体系统的稳定性。 本书《航空结构动力学基础：理论与应用》旨在提供一个全面而深入的视角，专注于航空结构在动态载荷作用下的运动学、动力学特性，以及工程实践中处理这些问题的核心方法论。我们不会直接探讨经典的气动弹性现象（如颤振或抖振的具体判定标准），而是将重点放在气动弹性力学所依赖的结构本征模态的提取、系统建模、以及非线性动力学响应的分析上，为读者理解和掌握气动弹性理论提供必要的理论基石。 --- 第一部分：航空结构动力学基础理论 第一章：连续体结构的基本力学描述 本章从经典弹性力学的基本假设出发，建立描述航空结构（如机翼、机身框架）的数学模型。我们首先回顾应力、应变关系，并引入欧拉-伯努利梁理论和经典薄板理论，这些是分析机翼和尾翼结构最常用的简化模型。重点在于推导适用于航空结构的一维和二维的平衡微分方程。 连续介质假设与本构关系： 线性弹性材料在小变形下的应力-应变关系。 变截面梁的动力学建模： 如何处理机翼沿展向截面尺寸变化的复杂性，引入变刚度梁的拉格朗日方程推导。 薄壁梁理论（Vlasov理论的初步介绍）： 分析闭合和开式截面梁的扭转刚度与剪切中心确定，为后续分析梁的耦合扭转振动奠定基础。 第二章：结构离散化方法——有限元方法的基石 在实际工程中，复杂的航空结构无法用简单的解析解描述，因此，系统地掌握有限元法（FEM）是分析其动力学行为的必由之路。本章详细阐述如何将连续体系统转化为离散的代数方程组，构建质量矩阵和刚度矩阵。 变分原理与虚功原理： 从能量角度推导有限元方程，重点介绍瑞利-里兹法（Rayleigh-Ritz Method）在结构模态分析中的应用。 单元选择与插值函数： 详细分析梁单元（如CST单元）、板单元（如四节点四面体单元）的自由度选择和形函数（Shape Functions）的选取对结果精度和稳定性的影响。 整体系统集成与求解： 矩阵的组装技术，以及如何处理边界条件的施加。 第三章：无阻尼自由振动分析与模态识别 这是动力学分析的核心环节。本章聚焦于求解标准的特征值问题，即 $mathbf{M}ddot{mathbf{u}} + mathbf{K}mathbf{u} = mathbf{0}$，以获取结构的固有频率和振型（模态）。 特征值问题的求解： 详细介绍雅可比法（Jacobi Method）和子空间迭代法（Subspace Iteration Method）在大型稀疏矩阵系统中的应用。 模态的物理意义与正交性： 解释质量矩阵和刚度矩阵的模态正交性，以及如何利用这些特性简化后续分析。 工程应用：振型归一化与模态叠加： 如何将物理坐标下的响应分解到模态坐标系下，为后续的模态响应分析做准备。 --- 第二部分：结构阻尼与系统响应分析 第四章：结构阻尼模型的建立与应用 真实的飞行器结构，其振动能量必然会通过阻尼耗散掉。本章不涉及气动阻尼，而是专注于结构自身阻尼的建模，这是确保动态分析准确性的前提。 经典阻尼模型： 粘滞阻尼（Rayleigh Damping）的理论基础、参数选择的困难与工程权衡。 材料阻尼与Hysteretic Damping： 基于材料本构行为的阻尼描述，探讨高频振动中材料阻尼的重要性。 模态阻尼比的实验辨识： 简要介绍如何通过半功率带宽法或自由衰减测试来获取结构阻尼参数。 第五章：有阻尼系统的瞬态与稳态响应 在确定了结构的固有特性（质量、刚度、阻尼）后，本章转向分析系统在外部激励下的动态响应。 模态叠加法求解瞬态响应： 利用模态坐标下的解耦性，高效计算结构在冲击载荷（如起落冲击）或瞬时载荷下的运动响应。 谐响应分析（Harmonic Response）： 求解周期性载荷下的稳态响应，如发动机旋转部件的振动传递，探讨共振区的响应特性。 系统的稳定性分析： 引入状态空间法（State-Space Representation），为后续处理更复杂的耦合问题（如受控系统）打下基础。 第六章：非线性动力学考量与现代分析技术 航空结构在承受极端载荷或大变形时，其动力学行为会偏离线性假设。本章引入必要的非线性分析概念。 几何非线性基础： 考虑大变形引起的刚度变化，如弦向拉伸效应在柔性翼结构中的体现。 材料非线性： 探讨屈服、塑性对结构动态特性的影响，以及在极限载荷分析中的应用。 时域求解器： 介绍Newmark-$eta$ 法、中心差分法等数值积分方法在求解非线性动力学方程中的具体实施步骤和收敛性控制。 --- 结语：迈向耦合系统分析的桥梁 《航空结构动力学基础：理论与应用》为读者提供了坚实的结构动力学工具箱。通过对连续体建模、有限元离散化、模态分析、阻尼处理和非线性响应计算的深入探讨，读者将能独立完成复杂航空结构在仅有结构自身动力学作用下的性能评估。本书的内容是理解和掌握更高级的、涉及流固耦合的气动弹性力学的必要前提，为未来深入研究颤振、发散等现象提供了不可或缺的理论和计算基础。

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坦白说，这本书的标题就足以吸引我。气动弹性，这个跨越空气动力学和结构力学的交叉领域，一直是我想深入了解的。从目录来看，本书似乎涵盖了从基础概念到高级应用的广泛内容。我特别期待书中对“非线性气动弹性”的探讨。我知道，在实际工程中，许多气动弹性现象都表现出明显的非线性特征，比如滞回效应和分叉现象，这些往往是线性理论难以解释的。本书能否提供一种有效的建模和分析方法来处理这些复杂的非线性问题，是我非常关注的。同时，我也对书中关于“主动气动弹性控制”的部分抱有很大的期望。通过集成先进的传感器和执行器，主动控制气动弹性效应，提高飞行器的性能和安全性，这无疑是未来航空工程的一个重要发展方向。

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这本书的装帧和整体风格，让我想起那些经典的技术手册，充满了严谨与厚重感。我初步浏览了一下，发现其中包含了很多关于空气动力学与结构动力学相互作用的理论分析，这正是气动弹性领域的核心。我特别关注书中关于“模态分析”和“有限元方法”在气动弹性问题中的应用部分。这两种强大的工程分析工具，无疑是解决复杂气动弹性问题的关键。我设想书中会详细介绍如何将空气动力学模型与结构有限元模型进行耦合，从而模拟出机翼或旋翼在不同飞行条件下的振动特性。此外，书中关于“气动弹性稳定性”的讨论，对于预测结构在高迎角或高马赫数下的失效模式至关重要。对于正在进行飞行器结构设计和验证的工程师来说，这本书无疑是一份宝贵的参考资料，能够帮助他们规避潜在的设计风险。

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这本书的物理体积和精美的印刷质量，都传递出一种对知识的尊重。虽然我还没有机会深入研读，但仅仅是浏览索引和参考文献，就足以让我感受到其内容的深度和广度。我推测书中会对“气动弹性耦合”的数学模型进行详细的推导，并且会讨论不同耦合方式对系统行为的影响。特别是对于那些与飞机稳定性、操纵性以及结构疲劳寿命相关的气动弹性现象，书中必然会有深入的分析。我对于书中可能包含的关于“跨音速和超音速气动弹性”的章节尤其感兴趣，因为在这些高速飞行条件下，气动载荷的变化规律与亚音速区域有很大的不同，气动弹性的影响也更加显著。这本书的出版，无疑为那些希望在航空航天领域攻坚克难的学者和工程师们提供了一个强有力的理论支撑。

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这本书的封面设计就透着一股子沉稳和专业，一本厚厚的精装书，纸张的质感也很好，拿在手里就有一种知识分量感。虽然我还没有深入阅读，但光是翻看目录和一些章节的标题，就能感受到这是一本内容相当详实的书籍。诸如“静气弹性和动气弹性”、“耦合振动”、“非线性气弹性和结构非线性”等标题，都让我联想到复杂的物理模型和严谨的数学推导，这无疑是研究气动弹性领域不可或缺的基础。我尤其期待书中对不同结构形式，比如机翼、涡轮叶片等在气流作用下的动态响应的探讨。对于一个对飞行器设计和空气动力学有一定了解的读者来说，这本书就像是一本宝藏，等待我去发掘其中深藏的奥秘。这本书的排版也相当不错，图表清晰，公式标注规范，即使是复杂的理论，也能通过精心设计的辅助材料更容易被理解。我猜想，如果能将书中的理论与实际工程案例相结合，那将是对理解气动弹性现象极大的帮助，我也非常期待能在阅读过程中遇到这样的分析。

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从第一眼看到这本书的标题，我就知道它将是一次深入探索的旅程。它的篇幅和内容组织，预示着这是一本能够系统性地构建读者对气动弹性理解的书籍。我对于书中可能包含的关于非定常气动载荷对结构动态行为影响的章节特别感兴趣。想象一下，当飞机以极高的速度穿越颠簸的气流时，机翼所承受的瞬时载荷变化是多么复杂，而这本书或许就能为我们揭示这些动态响应的本质。此外，书中对气弹阻尼和颤振预测的深入讲解，对于工程师们来说，无疑是确保飞行器安全性和性能的关键。我个人对材料的弹性和结构设计对气动弹性特性的影响也非常好奇，书中是否会探讨复合材料的应用以及其对气弹耦合的影响，这一点让我充满期待。这本书的出现，为那些希望在这一专业领域有所建树的读者提供了一个坚实的地基，它的存在本身就代表着该领域的成熟度和深度。

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