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绪论1

第一部分 背景资料7

1 单自由度系统振动9

1.1 单自由度系统运动方程的建立9

1.2 单自由度系统自由振动11

1.3 单自由度系统强迫振动12

1.4 谐和强迫振动——频率响应函数13

1.5 瞬态／随机强迫振动——时域解16

1.6 瞬态强迫振动——频域解19

1.7 随机强迫振动——频域解21

1.8 习题22

2 多自由度系统振动24

2.1 运动方程的建立24

2.2 无阻尼自由振动26

2.3 阻尼自由振动30

2.4 模态坐标的变换32

2.5 “自由-自由”系统36

2.6 谐和强迫振动36

2.7 瞬态／随机强迫振动——时域解38

2.8 瞬态强迫振动——频域解39

2.9 随机强迫振动——频域解39

2.10 习题39

3 连续系统振动——假设形态法42

3.1 RAYLEIGH-RITZ假设形态法43

3.2 广义运动方程——基本方法44

3.3 广义运动方程——矩阵方法48

3.4 根据“分支”模态建立飞机“自由-自由”模态50

3.5 全机“自由-自由”模态53

3.6 习题55

4 连续系统振动——离散法57

4.1 有限元法（FE）简介57

4.2 弯曲梁元公式59

4.3 梁元结构的组装和求解62

4.4 扭转元67

4.5 弯曲／扭转组合元68

4.6 关于建模的意见68

4.7 习题70

5 定常空气动力学导论72

5.1 标准大气72

5.2 空气速度对气动特性的影响73

5.3 对称翼型的绕流和压力75

5.4 作用在翼型上的力77

5.5 翼型具有攻角时的升力变化77

5.6 俯仰力矩变化和气动中心78

5.7 三维机翼上的升力79

5.8 三维机翼上的阻力83

5.9 操纵面84

5.10 超声速空气动力学——活塞理论85

5.11 跨声速流85

5.12 习题85

6 载荷导论87

6.1 运动定律87

6.2 D'ALEMBERT原理——惯性力和惯性力偶90

6.3 外载荷／反作用载荷93

6.4 自由体图94

6.5 内载荷95

6.6 连续模型结构的内载荷95

6.7 离散模型结构的内载荷99

6.8 部件间载荷101

6.9 由内载荷确定应力——具有简单载荷路径的结构构件101

6.10 习题101

7 控制导论105

7.1 开环和闭环系统105

7.2 LAPLACE变换106

7.3 开环、闭环系统在Laplace域和频域内的模型化108

7.4 系统稳定性109

7.5 PID控制115

7.6 习题116

第二部分 气动弹性力学和载荷导论117

8 静气动弹性力学——机翼弹性对升力分布和发散的影响119

8.1 具有弹簧约束二维刚体翼型的静气弹特性120

8.2 根部固支弹性机翼的静气弹特性122

8.3 配平对静气弹特性的影响125

8.4 机翼后掠对静气弹特性的影响129

8.5 习题134

9 静气动弹性力学——机翼弹性对操纵效率的影响135

9.1 弹性机翼的滚转操纵效率——定常滚转情况135

9.2 弹性机翼的滚转操纵效率——根部固支机翼情况140

9.3 操纵面展向位置的影响143

9.4 全机模型下的操纵效率分析143

9.5 配平对反效速度的影响144

9.6 习题145

10 非定常空气动力学导论146

10.1 准定常空气动力学146

10.2 非定常空气动力学147

10.3 谐和振荡翼型的气动力和气动力矩151

10.4 振荡气动导数152

10.5 气动阻尼和气动刚度153

10.6 与突风有关的非定常气动力学154

10.7 习题158

11 动气动弹性力学——颤振159

11.1 非定常气动力简化模型159

11.2 二元气弹模型161

11.3 气动弹性方程的一般形式163

11.4 颤振方程的特征值求解163

11.5 二元模型的气弹特性164

11.6 弹性机翼的气弹特性173

11.7 多模态系统的气弹特性174

11.8 二元系统颤振速度预测174

11.9 颤振二次曲线176

11.10 气弹系统的发散问题178

11.11 非定常减缩频率影响的计入180

11.12 操纵面颤振183

11.13 全机模型——刚性模态的计入186

11.14 跨声速流中的颤振186

11.15 超声速流中的颤振问题——机翼颤振和壁板颤振187

11.16 非线性的影响——极限环振荡189

11.17 习题191

12 气动伺服弹性力学193

12.1 带操纵面简单气弹系统的数学模型化方法194

12.2 突风项的计入195

12.3 控制系统的实施196

12.4 闭环系统稳定性的确定196

12.5 闭环系统的突风响应198

12.6 频率依赖的控制率应用于稳定性计算199

12.7 频域内的响应分析200

12.8 状态空间的模型化方法200

12.9 习题201

13 平衡机动202

13.1 平衡机动——具有法向加速度的刚性飞机204

13.2 机动包线208

13.3 平衡机动——刚性飞机俯仰209

13.4 平衡机动——弹性飞机俯仰216

13.5 刚性飞机俯仰导数的弹性修正229

13.6 平衡机动——飞机滚转和偏航230

13.7 飞行控制系统（FCS）的模型化233

13.8 习题233

14 动力学机动的飞行力学模型235

14.1 飞机轴系236

14.2 运动变量237

14.3 轴系变换238

14.4 运动轴系中的速度和加速度分量239

14.5 刚性飞机的飞行力学运动方程242

14.6 扰动力和扰动力矩的模型化244

14.7 弹性飞机纵向运动方程246

14.8 飞行力学方程的求解251

14.9 飞行控制系统（FCS）252

15 动力学机动254

15.1 动力学机动——由升降舵输入产生的刚性飞机沉浮／俯仰255

15.2 动力学机动——由升降舵输入产生的弹性飞机沉浮／俯仰261

15.3 纵向运动方程的一般形式267

15.4 动力学机动——由副翼输入产生的刚性飞机滚转268

15.5 动力学机动——由副翼输入产生的弹性飞机滚转272

15.6 飞行力学方程的弹性修正278

15.7 飞行控制系统（FCS）的模型化279

15.8 习题279

16 遭遇突风和湍流281

16.1 突风和湍流282

16.2 时域内的突风响应283

16.3 时域突风响应——刚性飞机沉浮285

16.4 时域突风响应——刚性飞机沉浮／俯仰291

16.5 时域突风响应——弹性飞机295

16.6 时域内运动方程的一般形式301

16.7 频域内的湍流响应301

16.8 频域湍流响应——刚性飞机沉浮304

16.9 频域湍流响应——刚性飞机沉浮／俯仰308

16.10 频域湍流响应——弹性飞机310

16.11 频域内运动方程的一般形式312

16.12 飞行控制系统（FCS）的模型化313

16.13 习题313

17 地面机动315

17.1 起落架315

17.2 滑行、起飞和着陆滑跑319

17.3 着陆326

17.4 刹车331

17.5 “起旋”和“回弹”条件334

17.6 转弯335

17.7 摆振336

17.8 飞行控制系统（FCS）的模型化338

17.9 习题338

18 飞机内载荷340

18.1 限制载荷和极限载荷341

18.2 飞机内载荷341

18.3 内载荷的一般表达式——连续机翼342

18.4 翼置发动机／起落架的影响345

18.5 内载荷——连续弹性机翼345

18.6 内载荷的一般表达式——离散机翼351

18.7 内载荷——离散机身354

18.8 内载荷——遭遇连续湍流357

18.9 临界载荷的产生和筛选358

18.10 确定飞机尺寸的临界情况360

18.11 由内载荷求取应力——复杂载荷路径361

18.12 习题361

19 势流气动力学364

19.1 无黏不可压缩流动分析的基本方法364

19.2 涡的计入368

19.3 二维薄翼定常气动力的数值模型化371

19.4 采用面元法的三维机翼定常气动力模型化373

19.5 谐和运动机翼非定常气动力的模型化376

19.6 模态空间中的气动影响系数378

19.7 习题382

20 结构、气动计算模型的耦合383

20.1 数学建模——静气弹情况383

20.2 二维耦合静气弹模型——俯仰385

20.3 二维耦合静气弹模型——沉浮／俯仰386

20.4 三维耦合静气弹模型387

20.5 数学建模——动气弹响应391

20.6 二维耦合动气弹模型——弯曲／扭转392

20.7 三维颤振分析393

20.8 状态空间建模中与频率相关气动力的计入——有理分式逼近方法394

第三部分 航空航天行业实践导论399

21 飞机设计和适航审定401

21.1 飞机设计过程中的气弹和载荷问题401

21.2 飞机适航审定过程403

22 气动弹性力学和载荷模型408

22.1 结构模型408

22.2 气动模型413

22.3 飞行控制系统415

22.4 其他模型问题416

22.5 载荷变换416

23 静气动弹性力学和颤振417

23.1 静气动弹性力学417

23.2 颤振419

24 飞行机动和突风／湍流载荷422

24.1 内载荷计算422

24.2 平衡飞行机动422

24.3 动力学飞行机动425

24.4 突风和湍流429

25 地面机动载荷434

25.1 用于地面机动分析的飞机／起落架模型434

25.2 起落架／机体界面435

25.3 地面机动——着陆435

25.4 地面机动——地面操纵436

25.5 载荷处理437

26 与气动弹性力学和载荷有关的试验项目439

26.1 引言439

26.2 风洞试验440

26.3 地面振动试验440

26.4 结构耦合试验441

26.5 飞行模拟器试验442

26.6 结构试验442

26.7 飞行颤振试验443

26.8 飞行载荷验证444

附录447

A 飞机刚性模态449

A.1 刚性平动模态449

A.2 刚性转动模态449

B 纵向气动导数表451

C 飞机对称弹性模态453

C.1 飞机模型453

C.2 对称自由-自由弹性模态454

D 模态缩聚461

D.1 引言461

D.2 静态缩聚461

D.3 动态缩聚——Guyan减缩法462

D.4 气弹模型静态缩聚463

D.5 模态缩聚463

D.6 模态减缩463

E 机体固定轴系内的气动导数464

E.1 纵向导数Zω464

E.2 侧向导数Lp、Lξ465

F 飞机反对称弹性模态468

F.1 飞机模型468

F.2 反对称自由-自由弹性模态468

G MATLAB/SIMULINK振动程序470

G.1 单自由度系统强迫响应470

G.2 多自由度系统模态求解475

G.3 有限元法求解477

H MATLAB/SIMULINK颤振程序480

H.1 动气弹计算480

H.2 气动伺服弹性系统483

I MATLAB/SIMULINK飞行／地面机动以及遭遇突风／湍流程序488

I.1 刚性飞机数据488

I.2 弹性飞机数据489

I.3 飞行情况数据490

I.4 气动导数计算490

I.5 平衡机动492

I.6 动力学机动493

I.7 时域内的突风响应496

I.8 频域内的突风响应498

I.9 地面机动500

缩略语505

索引507

参考文献513