计及缺陷敏感性的加筋圆柱壳结构优化设计
发布时间：2021-06-16 15:27
加筋圆柱壳结构是一种广泛应用于航天、航空飞行器以及舰艇中的具有优越力学性能的薄壳类结构。利用有效手段快捷、准确地获取结构的力学性能对加筋圆柱壳的研究有重要意义。由于初始缺陷在薄壳类结构普遍存在,且会导致结构性能大幅降低,需要对结构进行缺陷敏感性分析。在结构轻量化这一工程领域的重要课题中,除了通过研发出力学性能更优的新型构型来提供减重方案之外,还可以通过对固定构型的结构优化来获取最优方案。本文主要开展了以下几个方面的研究工作:（1）基于ABAQUS力学分析软件,对加筋圆柱壳的结构进行有限元网格划分,并确定恰当的有限元网格疏密程度。运用非线性显式后屈曲分析方法对传统加筋圆柱壳的后屈曲行为和极限载荷进行分析。（2）结合特征值屈曲模态缺陷分析方法,将特征值屈曲模态引入完善结构以获得其的缺陷结构,通过改变特征值屈曲模态的幅值得到传统加筋圆柱壳的缺陷敏感性曲线,获取结构对缺陷抵抗能力的评价指标。（3）提出了关于非均匀加筋圆柱壳的两种新型结构方案,随后对这两种非均匀加筋圆柱壳结构进行力学性能研究。论证了非均匀加筋圆柱壳结构具有比传统加筋圆柱壳结构更高的承载能力以及抵抗几何缺陷的性能指标。（4）结合工...
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统加筋圆柱壳结构示意图
合肥工业大学学术硕士研究生学位论文14体受力过程中几个重要位置处的变形图，动态地显示壳体变形过程。随着壳体的压缩变形，轴压载荷线性增加到位置2处，由于壳体中部发生严重的屈曲失稳变形(变形如位置3、位置4所示)，壳体的轴压载荷迅速减小，位置2处的轴压载荷代表壳体的极限载荷。该传统加筋圆柱壳极限载荷为16126kN，结构重量为354.6kg。表3.1传统加筋圆柱壳结构参数Tab.3.1Structuralparametersfortraditionalcylindricalshell几何参数(geometricalparameters)初始值(initialvalue)直径D(diameter)/m3.0长度L(length)/m2.0蒙皮厚度ts(skinthickness)/mm4.0筋条厚度tr(stiffenerthickness)/mm9.0筋条高度h(stiffenerheight)/mm15.0环向筋条数目Nc(thenumberofcircumferentialstiffeners)25纵向筋条数目Na(thenumberofaxialstiffeners)90图3.2传统加筋圆柱壳位移-载荷曲线Fig.3.2Displacementvs.axialloadcurveofthetraditionalcylindricalshell3.3加筋圆柱壳结构的缺陷敏感性分析几何缺陷的形状和大小是在壳体的制造以及使用过程中随机产生的，对薄壁结构的力学性能影响在工程应用中不容忽视，薄壁结构缺陷敏感性分析更具实际
合肥工业大学学术硕士研究生学位论文16图3.3传统加筋圆柱壳特征值屈曲模态缺陷敏感性曲线Fig.3.3Imperfectionsensitivitycurveofthetraditionalstiffenedcylindricalshellwitheigenmode-shapeimperfection3.4总结本章针对一个固定型号的加筋圆柱壳展开稳定性分析以及缺陷敏感性分析，以获取加筋圆柱壳完善结构与含不同程度几何缺陷的不完善结构的承载能力。简化加筋圆柱壳在工程应用中的受力环境，获取结构的受力模型。基于ABAQUS分析软件模拟出下端固支、上端受到轴向压缩载荷的力学模型，并采用合适单元对结构进行有限元网格划分以求高效、准确地获取结构的力学性能。通过运用显式动力学分析方法对软件模拟出的传统加筋圆柱壳有限元模型进行非线性后屈曲分析，获取结构的力学性能。在分析过程中对加载速度和网格尺寸进行依赖性研究，最终严格规定了加载速度和网格尺寸，对最终的数值分析结果的准确性给予保障。基于缺陷对加筋圆柱壳结构性能会产生严重影响的考虑，利用特征值屈曲模态缺陷分析方法对结构进行了缺陷敏感性分析。以特征值屈曲模态的幅值来表征壳体中几何缺陷的存在程度，获取随着几何缺陷存在程度的增加，对结构性能带来的影响变化。加筋圆柱壳的缺陷敏感性分析表明了完善结构的加筋圆柱壳能承受很高的轴向载荷，但当壳体产生轻微的几何缺陷时，结构所具有的极限承载能力就会大幅折减，然而这种大幅折减的趋势会随着缺陷幅值的进一步增加有所好转，由大幅折减趋势向小幅折减趋势转变并最终收敛。基于了解更详细的加筋圆柱壳变形破坏特征方面出发，对所研究型号的加筋圆柱壳含不同缺陷幅值大小的壳体变形展开分析。各缺陷状态下加筋圆柱壳的破坏形式均是壳体中部出现局部屈曲失稳变形，所以传统加筋圆柱壳结构的破坏是
【参考文献】：
期刊论文
[1]含有初始缺陷双曲扁壳的固有振动特性分析[J]. 顾晓军,郝育新,曹洲. 应用力学学报. 2019(01)
[2]金属次加筋结构的单轴压载稳定性优化[J]. 倪杨,徐元铭. 航空学报. 2015(05)
[3]基于缺陷敏感性分析的加筋圆柱壳结构设计[J]. 郝鹏,王博,李刚,杜凯繁,曾杜娟,张希. 应用力学学报. 2013(03)
[4]轴压薄壁加筋圆柱壳结构优化设计研究[J]. 毛佳,江振宇,陈广南,张为华. 工程力学. 2011(08)
[5]考虑焊缝几何缺陷影响时整体与局部轴向压力共同作用下薄壁圆柱壳稳定性分析[J]. 王登峰,曹平周. 工程力学. 2009(08)
[6]基于蜻蜓膜翅结构的飞机加强框的仿生设计[J]. 马建峰,陈五一,赵岭,赵大海. 航空学报. 2009(03)
[7]轴外压作用下复合材料网格加筋柱壳蒙皮铺层和筋条角度优化分析[J]. 马斌捷,盛祖铭,贾亮,王淑范. 导弹与航天运载技术. 2009(01)
[8]新的复合材料格栅加筋板的平铺等效刚度法[J]. 吴德财,徐元铭,贺天鹏. 力学学报. 2007(04)
[9]薄壁加筋肋圆柱壳稳定性分析的参数化研究[J]. 赵振,刘才山,陈滨,张永. 力学与实践. 2004(02)
[10]典型加筋板的优化设计[J]. 朴春雨,章怡宁. 飞机设计. 2003(04)
博士论文
[1]结构多性能优化设计及其在航天结构设计中的应用[D]. 王斌.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]薄壁结构非线性有限元数值计算及其稳定性分析研究[D]. 熊晓枫.西北工业大学 2006
本文编号：3233322
【文章来源】：合肥工业大学安徽省 211工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
传统加筋圆柱壳结构示意图
合肥工业大学学术硕士研究生学位论文14体受力过程中几个重要位置处的变形图，动态地显示壳体变形过程。随着壳体的压缩变形，轴压载荷线性增加到位置2处，由于壳体中部发生严重的屈曲失稳变形(变形如位置3、位置4所示)，壳体的轴压载荷迅速减小，位置2处的轴压载荷代表壳体的极限载荷。该传统加筋圆柱壳极限载荷为16126kN，结构重量为354.6kg。表3.1传统加筋圆柱壳结构参数Tab.3.1Structuralparametersfortraditionalcylindricalshell几何参数(geometricalparameters)初始值(initialvalue)直径D(diameter)/m3.0长度L(length)/m2.0蒙皮厚度ts(skinthickness)/mm4.0筋条厚度tr(stiffenerthickness)/mm9.0筋条高度h(stiffenerheight)/mm15.0环向筋条数目Nc(thenumberofcircumferentialstiffeners)25纵向筋条数目Na(thenumberofaxialstiffeners)90图3.2传统加筋圆柱壳位移-载荷曲线Fig.3.2Displacementvs.axialloadcurveofthetraditionalcylindricalshell3.3加筋圆柱壳结构的缺陷敏感性分析几何缺陷的形状和大小是在壳体的制造以及使用过程中随机产生的，对薄壁结构的力学性能影响在工程应用中不容忽视，薄壁结构缺陷敏感性分析更具实际
合肥工业大学学术硕士研究生学位论文16图3.3传统加筋圆柱壳特征值屈曲模态缺陷敏感性曲线Fig.3.3Imperfectionsensitivitycurveofthetraditionalstiffenedcylindricalshellwitheigenmode-shapeimperfection3.4总结本章针对一个固定型号的加筋圆柱壳展开稳定性分析以及缺陷敏感性分析，以获取加筋圆柱壳完善结构与含不同程度几何缺陷的不完善结构的承载能力。简化加筋圆柱壳在工程应用中的受力环境，获取结构的受力模型。基于ABAQUS分析软件模拟出下端固支、上端受到轴向压缩载荷的力学模型，并采用合适单元对结构进行有限元网格划分以求高效、准确地获取结构的力学性能。通过运用显式动力学分析方法对软件模拟出的传统加筋圆柱壳有限元模型进行非线性后屈曲分析，获取结构的力学性能。在分析过程中对加载速度和网格尺寸进行依赖性研究，最终严格规定了加载速度和网格尺寸，对最终的数值分析结果的准确性给予保障。基于缺陷对加筋圆柱壳结构性能会产生严重影响的考虑，利用特征值屈曲模态缺陷分析方法对结构进行了缺陷敏感性分析。以特征值屈曲模态的幅值来表征壳体中几何缺陷的存在程度，获取随着几何缺陷存在程度的增加，对结构性能带来的影响变化。加筋圆柱壳的缺陷敏感性分析表明了完善结构的加筋圆柱壳能承受很高的轴向载荷，但当壳体产生轻微的几何缺陷时，结构所具有的极限承载能力就会大幅折减，然而这种大幅折减的趋势会随着缺陷幅值的进一步增加有所好转，由大幅折减趋势向小幅折减趋势转变并最终收敛。基于了解更详细的加筋圆柱壳变形破坏特征方面出发，对所研究型号的加筋圆柱壳含不同缺陷幅值大小的壳体变形展开分析。各缺陷状态下加筋圆柱壳的破坏形式均是壳体中部出现局部屈曲失稳变形，所以传统加筋圆柱壳结构的破坏是
【参考文献】：
期刊论文
[1]含有初始缺陷双曲扁壳的固有振动特性分析[J]. 顾晓军,郝育新,曹洲. 应用力学学报. 2019(01)
[2]金属次加筋结构的单轴压载稳定性优化[J]. 倪杨,徐元铭. 航空学报. 2015(05)
[3]基于缺陷敏感性分析的加筋圆柱壳结构设计[J]. 郝鹏,王博,李刚,杜凯繁,曾杜娟,张希. 应用力学学报. 2013(03)
[4]轴压薄壁加筋圆柱壳结构优化设计研究[J]. 毛佳,江振宇,陈广南,张为华. 工程力学. 2011(08)
[5]考虑焊缝几何缺陷影响时整体与局部轴向压力共同作用下薄壁圆柱壳稳定性分析[J]. 王登峰,曹平周. 工程力学. 2009(08)
[6]基于蜻蜓膜翅结构的飞机加强框的仿生设计[J]. 马建峰,陈五一,赵岭,赵大海. 航空学报. 2009(03)
[7]轴外压作用下复合材料网格加筋柱壳蒙皮铺层和筋条角度优化分析[J]. 马斌捷,盛祖铭,贾亮,王淑范. 导弹与航天运载技术. 2009(01)
[8]新的复合材料格栅加筋板的平铺等效刚度法[J]. 吴德财,徐元铭,贺天鹏. 力学学报. 2007(04)
[9]薄壁加筋肋圆柱壳稳定性分析的参数化研究[J]. 赵振,刘才山,陈滨,张永. 力学与实践. 2004(02)
[10]典型加筋板的优化设计[J]. 朴春雨,章怡宁. 飞机设计. 2003(04)
博士论文
[1]结构多性能优化设计及其在航天结构设计中的应用[D]. 王斌.大连理工大学 2010
硕士论文
[1]薄壁结构非线性有限元数值计算及其稳定性分析研究[D]. 熊晓枫.西北工业大学 2006
本文编号：3233322
本文链接：https://www.wllwen.com/kejilunwen/hangkongsky/3233322.html
