加筋薄壳结构分析与优化设计研究进展
发布时间：2021-08-02 05:12
伴随装备大型化和承载重型化等发展趋势,装备中加筋薄壳结构尺寸越来越大,成型工艺与结构细节也越来越复杂,对结构优化设计的精细程度、新型轻质结构发现和力学性能数值预测精度提出了更高的要求,给复杂板壳非线性分析模型、优化问题的数学建模和求解算法带来新的挑战。本文从加筋壳稳定性分析方法、折减因子确定方法以及考虑几何缺陷的加筋壳设计方法三个方面进行综述,介绍国内外相关研究进展。
【文章来源】：计算力学学报. 2019,36(01)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１加筋薄壳结构示意
（ｉ）在加筋薄壳沿高度方向的中部施加径向单点扰动载荷，并进行考虑几何大变形的静力分析，得到结构的位移常（ｉｉ）将凹陷引入完美模型，得到含缺陷的有限元模型。（ｉｉｉ）对含缺陷模型进行后屈曲分析，获得相应的结构承载性能。改变径向扰动载荷的幅值，绘制缺陷敏感性曲线。图２是单点扰动载荷法得到的缺陷敏感性曲线，可以看出，随着扰动载荷的增大，缺陷敏感性曲线逐渐下降，直至趋于一个收敛值，以收敛值作为含缺陷壳体结构的实际承载力。虽然ＳＰＬＡ法是一种简便的等效缺陷方法，但实际结构表面出现的凹陷数量可能不唯一，导致ＳＰＬＡ法无法覆盖实际缺陷的影响［６８］。（４）多点最不利扰动载荷法作为单点扰动载荷方法的改进，王博等［８３－８６］提出了多点最不利扰动载荷方法ＷＭＰＬＡ（ＷｏｒｓｔＭｕｌｔｉｐｌｅＰｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎＬｏａｄｓＡｐｐｒｏａｃｈ）。该方法将多个筒壁侧向适当集中载荷引发的凹陷型缺陷作为基函数，提出基于优化方法寻找基函数的最不利组合，将组合后的预设凹陷作为预设缺陷，用以估计折减因子，确保了预示极限承载力能恰当低于随机缺陷产生的承载力。该方法可大致归结为４个步骤，如图３所示。（ｉ）进行单点凹陷的缺陷敏感性分析，根据收敛曲线确定最大径向扰动载荷Ｎｍａｘ。（ｉｉ）进行多点凹陷（位置为任意正多边形的顶点）的缺陷敏感性分析，确定有效距离ｌｅ。图４给出了以正三角形顶点为作用位置的多点凹陷示意图，最小屈曲载荷所对应的距离值记为ｌｅ。轴向和环向的加载位置数目ｎａ和ｎｃ为Ｓａ＝ｌ＋０．５ｌ＝１．５ｌ（１）Ｓｃ＝槡３ｌ／２（２）ｎａ＝Ｌ／Ｓ
Ａ法无法覆盖实际缺陷的影响［６８］。（４）多点最不利扰动载荷法作为单点扰动载荷方法的改进，王博等［８３－８６］提出了多点最不利扰动载荷方法ＷＭＰＬＡ（ＷｏｒｓｔＭｕｌｔｉｐｌｅＰｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎＬｏａｄｓＡｐｐｒｏａｃｈ）。该方法将多个筒壁侧向适当集中载荷引发的凹陷型缺陷作为基函数，提出基于优化方法寻找基函数的最不利组合，将组合后的预设凹陷作为预设缺陷，用以估计折减因子，确保了预示极限承载力能恰当低于随机缺陷产生的承载力。该方法可大致归结为４个步骤，如图３所示。（ｉ）进行单点凹陷的缺陷敏感性分析，根据收敛曲线确定最大径向扰动载荷Ｎｍａｘ。（ｉｉ）进行多点凹陷（位置为任意正多边形的顶点）的缺陷敏感性分析，确定有效距离ｌｅ。图４给出了以正三角形顶点为作用位置的多点凹陷示意图，最小屈曲载荷所对应的距离值记为ｌｅ。轴向和环向的加载位置数目ｎａ和ｎｃ为Ｓａ＝ｌ＋０．５ｌ＝１．５ｌ（１）Ｓｃ＝槡３ｌ／２（２）ｎａ＝Ｌ／Ｓａ－１＝２Ｌ／３ｌ－１（３）图２基于单点扰动载荷法的缺陷敏感性曲线［８１］Ｆｉｇ．２ＩｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｃｕｒｖｅｂａｓｅｄｏｎＳＰＬＡ［８１］ｎｃ＝２πＲ／Ｓｃ＝４πＲ／槡３ｌ（４）式中Ｌ为筒壳轴向长度，Ｒ为筒壳半径。根据ｎａ和ｎｃ将壳体进行等分，并赋予位置编号。（ｉｉｉ）以径向扰动载荷Ｎ和凹陷加载位置编号为设计变量，开展实验设计。（ｉｖ）基于优化方法寻找最不利缺陷组合，相应的优化列式可写为Ｆｉｎｄ：Ｘ＝［Ｎ，Ｆ１，Ｆ２，…，Ｆ
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合材料格栅结构研究进展与应用[J]. 王世勋,石玉红,张希,季宝锋,李雄魁. 宇航材料工艺. 2017(01)
[2]超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法[J]. 王博,田阔,郑岩冰,郝鹏,张可. 航空学报. 2017(02)
[3]模态缺陷条件下复合材料柱形壳屈曲特性[J]. 张建,周通,王纬波,唐文献. 复合材料学报. 2017(03)
[4]薄壁加筋圆柱壳后屈曲分析方法研究[J]. 李庆亚,谭福颖,乔玲,董萼良,费庆国. 固体火箭技术. 2015(04)
[5]整体次加筋壁板屈曲载荷近似计算方法[J]. 徐元铭,李松泽. 北京航空航天大学学报. 2015(03)
[6]等边三角形网格加筋壳轴压承载研究[J]. 范瑞祥,张晓颖,黄诚,郑卫东,吴会强. 强度与环境. 2014(04)
[7]基于改进一致缺陷模态法的轴压圆柱薄壳极限承载力分析[J]. 陈俊岭,舒文雅. 特种结构. 2013(06)
[8]薄壁加筋圆柱壳稳定性分析及优化[J]. 龙连春,赵斌,陈兴华. 北京工业大学学报. 2012(07)
[9]复合材料格栅结构稳定性与优化分析[J]. 陈书华,刘勇琼,刘建超. 宇航材料工艺. 2012(03)
[10]格栅非均匀分布效应对复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响[J]. 石姗姗,孙直,任明法,陈浩然. 工程力学. 2012(04)
博士论文
[1]面向新一代运载火箭的网格加筋柱壳结构优化研究[D]. 郝鹏.大连理工大学 2013
[2]先进复合材料格栅加筋结构优化设计与损伤分析[D]. 张志峰.大连理工大学 2008
硕士论文
[1]薄壁加筋结构屈曲分析及优化设计[D]. 李洋.北京工业大学 2013
[2]ISOGRID加筋圆柱壳的力学性能分析[D]. 张明利.北京工业大学 2009
[3]运载火箭加筋壳结构稳定性分析[D]. 韩涵.国防科学技术大学 2005
本文编号：3316960
【文章来源】：计算力学学报. 2019,36(01)北大核心CSCD
【文章页数】：12 页
【部分图文】：
图１加筋薄壳结构示意
（ｉ）在加筋薄壳沿高度方向的中部施加径向单点扰动载荷，并进行考虑几何大变形的静力分析，得到结构的位移常（ｉｉ）将凹陷引入完美模型，得到含缺陷的有限元模型。（ｉｉｉ）对含缺陷模型进行后屈曲分析，获得相应的结构承载性能。改变径向扰动载荷的幅值，绘制缺陷敏感性曲线。图２是单点扰动载荷法得到的缺陷敏感性曲线，可以看出，随着扰动载荷的增大，缺陷敏感性曲线逐渐下降，直至趋于一个收敛值，以收敛值作为含缺陷壳体结构的实际承载力。虽然ＳＰＬＡ法是一种简便的等效缺陷方法，但实际结构表面出现的凹陷数量可能不唯一，导致ＳＰＬＡ法无法覆盖实际缺陷的影响［６８］。（４）多点最不利扰动载荷法作为单点扰动载荷方法的改进，王博等［８３－８６］提出了多点最不利扰动载荷方法ＷＭＰＬＡ（ＷｏｒｓｔＭｕｌｔｉｐｌｅＰｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎＬｏａｄｓＡｐｐｒｏａｃｈ）。该方法将多个筒壁侧向适当集中载荷引发的凹陷型缺陷作为基函数，提出基于优化方法寻找基函数的最不利组合，将组合后的预设凹陷作为预设缺陷，用以估计折减因子，确保了预示极限承载力能恰当低于随机缺陷产生的承载力。该方法可大致归结为４个步骤，如图３所示。（ｉ）进行单点凹陷的缺陷敏感性分析，根据收敛曲线确定最大径向扰动载荷Ｎｍａｘ。（ｉｉ）进行多点凹陷（位置为任意正多边形的顶点）的缺陷敏感性分析，确定有效距离ｌｅ。图４给出了以正三角形顶点为作用位置的多点凹陷示意图，最小屈曲载荷所对应的距离值记为ｌｅ。轴向和环向的加载位置数目ｎａ和ｎｃ为Ｓａ＝ｌ＋０．５ｌ＝１．５ｌ（１）Ｓｃ＝槡３ｌ／２（２）ｎａ＝Ｌ／Ｓ
Ａ法无法覆盖实际缺陷的影响［６８］。（４）多点最不利扰动载荷法作为单点扰动载荷方法的改进，王博等［８３－８６］提出了多点最不利扰动载荷方法ＷＭＰＬＡ（ＷｏｒｓｔＭｕｌｔｉｐｌｅＰｅｒｔｕｒｂａｔｉｏｎＬｏａｄｓＡｐｐｒｏａｃｈ）。该方法将多个筒壁侧向适当集中载荷引发的凹陷型缺陷作为基函数，提出基于优化方法寻找基函数的最不利组合，将组合后的预设凹陷作为预设缺陷，用以估计折减因子，确保了预示极限承载力能恰当低于随机缺陷产生的承载力。该方法可大致归结为４个步骤，如图３所示。（ｉ）进行单点凹陷的缺陷敏感性分析，根据收敛曲线确定最大径向扰动载荷Ｎｍａｘ。（ｉｉ）进行多点凹陷（位置为任意正多边形的顶点）的缺陷敏感性分析，确定有效距离ｌｅ。图４给出了以正三角形顶点为作用位置的多点凹陷示意图，最小屈曲载荷所对应的距离值记为ｌｅ。轴向和环向的加载位置数目ｎａ和ｎｃ为Ｓａ＝ｌ＋０．５ｌ＝１．５ｌ（１）Ｓｃ＝槡３ｌ／２（２）ｎａ＝Ｌ／Ｓａ－１＝２Ｌ／３ｌ－１（３）图２基于单点扰动载荷法的缺陷敏感性曲线［８１］Ｆｉｇ．２ＩｍｐｅｒｆｅｃｔｉｏｎｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙｃｕｒｖｅｂａｓｅｄｏｎＳＰＬＡ［８１］ｎｃ＝２πＲ／Ｓｃ＝４πＲ／槡３ｌ（４）式中Ｌ为筒壳轴向长度，Ｒ为筒壳半径。根据ｎａ和ｎｃ将壳体进行等分，并赋予位置编号。（ｉｉｉ）以径向扰动载荷Ｎ和凹陷加载位置编号为设计变量，开展实验设计。（ｉｖ）基于优化方法寻找最不利缺陷组合，相应的优化列式可写为Ｆｉｎｄ：Ｘ＝［Ｎ，Ｆ１，Ｆ２，…，Ｆ
【参考文献】：
期刊论文
[1]复合材料格栅结构研究进展与应用[J]. 王世勋,石玉红,张希,季宝锋,李雄魁. 宇航材料工艺. 2017(01)
[2]超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法[J]. 王博,田阔,郑岩冰,郝鹏,张可. 航空学报. 2017(02)
[3]模态缺陷条件下复合材料柱形壳屈曲特性[J]. 张建,周通,王纬波,唐文献. 复合材料学报. 2017(03)
[4]薄壁加筋圆柱壳后屈曲分析方法研究[J]. 李庆亚,谭福颖,乔玲,董萼良,费庆国. 固体火箭技术. 2015(04)
[5]整体次加筋壁板屈曲载荷近似计算方法[J]. 徐元铭,李松泽. 北京航空航天大学学报. 2015(03)
[6]等边三角形网格加筋壳轴压承载研究[J]. 范瑞祥,张晓颖,黄诚,郑卫东,吴会强. 强度与环境. 2014(04)
[7]基于改进一致缺陷模态法的轴压圆柱薄壳极限承载力分析[J]. 陈俊岭,舒文雅. 特种结构. 2013(06)
[8]薄壁加筋圆柱壳稳定性分析及优化[J]. 龙连春,赵斌,陈兴华. 北京工业大学学报. 2012(07)
[9]复合材料格栅结构稳定性与优化分析[J]. 陈书华,刘勇琼,刘建超. 宇航材料工艺. 2012(03)
[10]格栅非均匀分布效应对复合材料格栅加筋圆锥壳体稳定性的影响[J]. 石姗姗,孙直,任明法,陈浩然. 工程力学. 2012(04)
博士论文
[1]面向新一代运载火箭的网格加筋柱壳结构优化研究[D]. 郝鹏.大连理工大学 2013
[2]先进复合材料格栅加筋结构优化设计与损伤分析[D]. 张志峰.大连理工大学 2008
硕士论文
[1]薄壁加筋结构屈曲分析及优化设计[D]. 李洋.北京工业大学 2013
[2]ISOGRID加筋圆柱壳的力学性能分析[D]. 张明利.北京工业大学 2009
[3]运载火箭加筋壳结构稳定性分析[D]. 韩涵.国防科学技术大学 2005
本文编号：3316960
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