结构、机构装配设计以及流体分析的优化

本章主要内容：

●钢架与框架结构设计优化

●船体结构与强度数字化设计优化

●回转壳体结构灵敏度与协同设计

●舱体梁体稳定性与动力学分析

●发动机装配与包络分析

●流体力学CFD优化设计分析

结构力学是固体力学的一个分支，它主要研究工程结构受力和传力的规律，以及如何进行结构优化的学科。所谓工程结构是指能够承受和传递外载荷的系统，包括杆、板、壳以及它们的组合体，如飞机机身和机翼、桥梁、屋架和承力墙等。结构力学的任务是研究在工程结构在外载荷作用下的应力、应变和位移等的规律；分析不同形式和不同材料的工程结构，为工程设计提供分析方法和计算公式；确定工程结构承受和传递外力的能力；研究和发展新型工程结构。

观察自然界中的天然结构，如植物的根、茎和叶，动物的骨骼，蛋类的外壳，可以发现它们的强度和刚度不仅与材料有关，而且和它们的造型有密切的关，很多工程结构就是受到天然结构的启发而创造出来的。结构设计不仅要考虑结构的强度和刚度，还要做到用料省、质量轻。减轻重量对某些工程尤为重要，如减轻飞机的质量就可以使飞机航程远、上升快、速度大、能耗低。

就基本原理和方法而言，结构力学是与理论力学、材料力学同时发展起来的，所以结构力学在发展的初期是与理论力学和材料力学融合在一起的。到19世纪初，由于工业的发展，人们开始设计各种大规模的工程结构，对于结构的设计，要作较精确的分析和计算。因此，工程结构的分析理论和分析方法开始独立出来，到19世纪中叶，结构力学开始成为一门独立的学科。

20世纪初，航空工程的发展促进了对薄壁结构和加劲板壳的应力和变形分析，以及对稳定性问题的研究。同时桥梁和建筑开始大量使用钢筋混凝土材料，这就要求科学家们对钢架结构进行系统研究。1914年德国的本迪克森创立了转角位移法，用以解决刚架和连续粱等问题。后来，在20世纪二、三十年代，对复杂的静不定杆系结构提出了一些简易计算方法，使一般的设计人员都可以掌握和使用。(www.zuozong.com)

到了20世纪20年代，人们提出了蜂窝夹层结构的设想。根据结构的“极限状态”这一概念，学者们得出了弹性地基上梁、板及刚架的设计计算新理论。对承受各种动载荷（特别是地震作用）的结构的力学问题，也在实验和理论方面做了许多研究工作。随着结构力学的发展，疲劳问题、断裂问题和复合材料结构问题先后进入结构力学的研究领域。可根据结构力学的研究性质和对象的不同分为结构静力学、结构动力学、结构稳定理论、结构断裂、疲劳理论、杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论等。

1）结构静力学是结构力学中首先发展起来的分支，它主要研究工程结构在静载荷作用下的弹塑性变形和应力状态，以及结构优化问题。静载荷是指不随时间变化的外加载荷，变化较慢的载荷也可近似地看做静载荷。结构静力学是结构力学其他分支学科的基础。

2）结构动力学是研究工程结构在动载荷作用下的响应和性能的分支学科。动载荷是指随时间而改变的载荷。在动载荷作用下，结构内部的应力、应变及位移是时间的函数。由于涉及时间因素，结构动力学的研究内容一般比结构静力学复杂得多。

3）结构稳定理论是研究工程结构稳定性的分支。现代工程中大量使用细长型和薄型结构，如细杆、薄板和薄壳。它们受压时，会在内部应力小于屈服极限的情况下发生失稳（皱损或曲屈），即结构产生过大的变形，从而降低以至完全丧失承载能力。大变形还会影响结构设计的其他要求，例如影响飞行器的空气动力学性能。结构稳定理论中最重要的内容是确定结构的失稳临界载荷。

4）结构断裂和疲劳理论是研究因工程结构内部不可避免地存在裂纹，裂纹会在外载荷作用下扩展而引起断裂破坏，也会在幅值较小的交变载荷作用下扩展而引起疲劳破坏的学科。现在对断裂和疲劳的研究历史还不长，还不完善，但断裂和疲劳理论目前得发展很快。

5）在结构力学对于各种工程结构的理论和实验研究中，针对研究对象还形成了一些研究领域，这方面主要有杆系结构理论、薄壁结构理论和整体结构理论三大类。整体结构是用整体原材料，经机械铣切或经化学腐蚀加工而成的结构，它对某些边界条件问题特别适用，常用做变厚度结构。随着科学技术的不断进展，又涌现出许多新型结构，比如20世纪中期出现的夹层结构和复合材料结构。

结构力学的研究方法主要有工程结构的使用分析、试验研究、理论分析和计算三种。在结构设计和研究中，这三方面往往是交替进行并且是相辅相成的。使用分析就是在结构的使用过程中，对结构中出现的情况进行分析比较和总结，这是易行而又可靠的一种研究手段，对结构的评价和改进起着重要作用。新设计的结构也需要通过使用来检验性能。

试验研究能为鉴定结构提供重要依据，这也是检验和发展结构力学理论和计算方法的主要手段。试验研究分为三类：模型试验、真实结构部件试验、真实结构试验。例如，飞机地面破坏试验、飞行试验和汽车的碰撞试验等。结构的力学试验通常要耗费较多的人力、物力和财力，因此只能有限度地进行，特别是在结构设计的初期阶段，一般多依靠对结构部件进行理论分析和计算。

在固体力学领域中，材料力学为结构力学的发展提供了必要的基本知识，弹性力学和塑性力学又是结构力学的理论基础。另外，结构力学还与其他物理学科结合形成许多边缘学科，比如流体弹性力学等。结构力学是一门古老的学科，又是一门迅速发展的学科。新型工程材料和新型工程结构的大量出现，向结构力学提供了新的研究内容，并提出新的要求。计算机的发展，为结构力学提供了有力的计算工具。另一方面，结构力学对数学及其他学科的发展也起了推动作用。有限元法这一数学方法的出现和发展就与结构力学的研究有密切关系。

本章重点以产品设计优化、装配包络分析、机构运动学与动力学仿真以及计算流体力学的优化应用为主要对象，介绍了钢架与框架结构设计应用、船体结构与强度数字化设计优化、回转壳体结构灵敏度与协同设计、舱体梁体稳定性与动力学分析、发动机装配、包络分析与计算流体力学（CFD）优化设计分析等工程应用实例。