关于薄壁结构介绍

[拼音]：bobi jiegou

[外文]：thin-walled structures

由薄板、薄壳和细长杆件组成的结构，能以较小的重量和较少的材料承受较大的载荷。

木板房屋就是人类早期采用薄壁结构的产物。从18世纪中叶开始，全金属箱形结构桥梁大量出现。在设计这类桥梁的过程中，S.W.费尔贝恩、E.霍奇金森和Д.И.茹拉夫斯基等人所作的实验和分析，推动了薄壁结构的力学研究。薄壁结构还应用于船舶和车辆的外壳以及大型建筑物的屋顶和屋架。20世纪30年代，飞机飞行速度日益提高，要求飞机有光滑的外形，金属薄壁结构就取代了蒙布杆系结构而成为飞行器的主要结构形式（见彩图）。从那个时候起，人们对薄壁结构系统的理论分析和实验研究，使薄壁结构在工程上得到越来越广泛的应用。

严格地说，薄壁结构的每个杆件都可能受到轴力、剪力和弯矩的作用，每块板和壳都可能受到弯矩、剪力以及中面内的拉力或压力的作用。如果全面考虑上述各力的影响，分析和计算就很困难。但多数工程中常用的薄壁结构属于下面两类，它们可以简化为适于数学处理的计算模型。

（1）薄板细杆结构 由薄板和细杆组成的薄壁结构，可分解为若干个杆、板单元来研究。其中板只承受板平面内的应力σx、σy和τxy（图1），

杆只承受轴向力。在很多情况下，杆承受应力的能力远大于板，进而可以假定板只承受剪应力τxy，而将板所承受的正应力加在杆上（即假想加大杆的截面积）。因板很薄，可认为剪应力τxy沿板厚不变，剪应力在整个厚度上的合力用剪流q表示。当板边为直线时，q的方向与板边平行；当板边为曲线时，q的方向与曲线相切。图2表示出板杆单元上剪流的方向。在板内正应力σx=σy=0的条件下，由平衡条件得出，剪流q在每个边上为一常值;由整块板的平衡条件得出，平行四边形板四个边上的剪流相等，三角形板三个边上的剪流均等于零，即不受正应力的三角形板在薄壁结构中不起作用。由于板件边上的剪流q作用到杆上，杆中的轴力不是常数而按线性规律变化，即杆中相距为l的两点A、B上的轴力 NA、NB与剪流q的关系为：

NB＝NA＋ql。因此，通过杆两端的轴力NA、NB可求出剪流q。由许多杆和板组成的薄壁结构通常是静不定结构，一般可用力法通过节点处各杆之间的变形一致条件或杆和板之间的变形一致条件求解。50年代，J.H.阿吉里斯在这方面做了大量工作，为复杂结构的数值计算开辟了一条新路。目前求解薄壁结构大量采用力法，也越来越多地采用位移法。

（2）棱柱形薄壁结构 由若干宽度远小于长度的薄板在长度方向拼接成的棱柱形结构。对这类薄壁结构，苏联的В.З.符拉索夫作了下述假设：板主要的内力是中面力Nx、Ny、Nxy以及横向弯矩Μx和横向剪力Qz(图3之a)；不考虑板的剪应变(见应变)和横向伸长应变。根据这些假设可以将棱柱形薄壁结构简化为由许多横向刚架和纵向铰结杆件组成的计算模型(图3之b)。在这种计算模型中，弯矩仅沿横向传递。符拉索夫由此得到一些在建筑上有广泛应用的近似解。若棱柱形薄壁结构整个截面的最大尺寸远小于纵向尺寸，或在横向有坚硬框架支撑，使结构在受力后不发生显著的横向变形，则横向弯矩Μx、剪力Qz、中面力Ny和横向位移均可不考虑，需要研究的只有纵向的中面内力Nx和剪力Nxy，这两个内力可通过一个平衡方程相联系，因而未知内力只有一个。这种薄壁结构在航空工程和桥梁工程上应用很广，称为薄壁梁。

比上述两种薄壁结构更复杂的结构一般不易简化。近年来由于大型计算机的普遍使用和计算力学的进展，在分析薄壁结构时可以考虑更多的因素，使越来越多的薄壁结构问题得到解决。

参考书目

1. 叶逢培、吴富民、张纪刚编：《飞行器结构力学》，北京科学教育编辑室，北京，1965。