一種軸壓加筋柱殼的開口補強方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及航空航天結構主承力構件設計技術領域，尤其設及一種軸壓加筋柱殼 的開口補強方法。
【背景技術】
[0002] 薄壁加筋結構具備輕質和承載性能良好等特點，被廣泛應用于現代航空航天工 業。為滿足設備安裝、管線鋪設、散熱等需要，航空航天結構的薄壁加筋部段中不可避免地 存在開口，例如導彈火箭結構的級間段和儀器艙、飛機機身等。開口導致的結構材料和剛度 不連續會引起加筋殼體位移場和應力場的局部擾動，破壞了無矩應力狀態，導致殼體承載 力降低，尤其對其后屈曲極限承載能力的影響更大，為此設計中不得不采用補強措施。然 而，國內外已有研究大多是從近口區的結構強度穩定性角度進行局部補強，導致相當多的 加筋柱殼設計方案超重，尤其對于開口較多的情況，超重將更為嚴重。該一方面由于現有 "局部補強"思路下的研究較少關注整體結構設計，尤其缺乏相關的結構一體化優化設計理 論框架；另一方面，受到傳統加工工藝和設計理念的制約，目前加筋柱殼結構設計更多是面 向"直筋"，筋條缺乏更為豐富的形貌變化，也使得結構設計空間受限。事實上，缺乏整體設 計考慮的局部補強還常導致加筋柱殼近口區的剛度突變，易造成局部破壞。值得注意的是， 伴隨我國重型運載火箭和大飛機的大直徑、薄壁、超輕等越發苛刻的設計需求，W及承力結 構多功能性融合的趨勢所導致的開口變大，關注局部傳力路徑的開口補強設計需求越發迫 切。
[0003] 近年來，國外學者Mulani等提出了整體型曲線加筋結構的概念。數字化制造技術 的快速發展使得該種不規則布局的筋條加工成型成為可能。對于金屬材料，采用數控機械 銳切、3-D打印、電子束無模成形等技術即可完成加工制造。NASA蘭利研究中屯、基于電子束 無模成形技術，制造了曲筋平板的侶合金樣件，并完成了其panel級實驗驗證。但需要強調 的是，目前國外學者并沒有對曲筋板殼的承載機理進行深入研究。事實上，如果將曲筋的設 計靈活性與加筋柱殼結構的開口補強需求結合起來，結構的局部傳力路徑將會得到極大改 善，加筋柱殼的軸壓承載和開口補強效率也會因此提高。
[0004] 加筋柱殼結構的開口補強效率需要通過計算其軸壓承載力來評估。目前來講，加 筋柱殼結構承載力的數值預測大多基于等效剛度模型或者精細有限元模型。等效剛度模型 是基于均勻化理論或漸進均勻化理論將具備周期性的密肋加筋柱殼等效成各向異性或各 向同性的光殼，其計算效率極高，但適用條件苛刻，比如單胞必須具備周期性、滿足密肋條 件等。對于軸壓下的加筋柱殼，隨著逐步加載結構可能呈現線性屈曲-非線性后屈曲-壓 潰破壞行為，精細有限元模型可考慮分析過程中的材料非線性、幾何非線性，W及各類缺陷 所帶來的非線性因素，并且能夠準確地模擬邊界條件、載荷施加方式、結構性開口、筋條形 貌等模型細節。但精細有限元模型往往計算效率極低，該給開口加筋柱殼結構的軸壓承載 能力分析與優化帶來較大的計算成本，甚至容易造成優化失敗。
[0005] 現有的開口加筋柱殼結構的局部補強設計往往依賴過度有限元分析，設計及優化 過程中需要多次調用精細有限元分析，優化效率十分低下。該領域雖然已開展了大量工作， 但仍未給出一種適合軸壓加筋柱殼的高效開口補強方法。
【發明內容】
[0006] 本發明主要解決現有技術的軸壓加筋柱殼的開口補強設計的結構效率較低、優化 設計的計算成本較大的技術問題，提出一種軸壓加筋柱殼的開口補強方法，W達到提高局 部開口補強設計的結構效率、降低優化設計的計算成本的目的。
[0007] 本發明提供了一種軸壓加筋柱殼的開口補強方法，所述軸壓加筋柱殼的開口補強 方法包括：
[000引步驟100,對含開口的軸壓加筋柱殼劃分遠口區和近口區，包括W下子步驟：
[0009] 步驟101，利用特征值屈曲分析，獲得軸壓加筋柱殼的前n階屈曲模態；
[0010] 步驟102,在前n階屈曲模態中篩選滿足篩選條件的前m階局部屈曲模態，進而將 前m階局部屈曲模態疊加形成混合模態形狀，其中，篩選條件為：屈曲變形大于屈曲變形闊 值的區域面積小于等于殼體總面積1/a，a取2至4 ;
[0011] 步驟103,根據形成的混合模態形狀，將屈曲變形超過屈曲變形闊值的區域劃分為 近口區，其余區域為遠口區；
[0012] 步驟200,在遠口區建立等效剛度模型，在近口區建立精細幾何模型，并獲得軸壓 加筋柱殼的混合分析模型；
[0013] 步驟201，建立基于均勻化理論或漸進均勻化理論的軸壓加筋柱殼結構的等效剛 度模型，將遠口區的軸壓加筋柱殼等效為各向異性或各向同性光殼；
[0014] 步驟202,基于由非均勻有理B樣條曲線描述的曲筋，在近口區建立精細幾何模 型；
[0015] 步驟203,設定近口區和遠口區的連接關系，得到含開口的軸壓加筋柱殼的軸壓承 載能力混合分析模型；
[0016] 步驟300,對軸壓加筋柱殼進行開口補強優化，并對最優結果進行校驗。
[0017] 優選的，步驟300中，對軸壓加筋柱殼進行開口補強優化，并對最優結果進行校 驗，包括W下子步驟：
[001引步驟301，第一層優化中，利用代理模型結合全局優化方法，將筋條厚度、筋條高 度、軸向筋條數量和布局、環向筋條數量和布局W及鋪層角之一或其組合作為設計變量，將 軸壓加筋柱殼結構的軸壓承載力作為目標函數，將結構重量和/或結構制造成本作為約束 條件，對軸壓加筋柱殼結構進行優化設計，得到滿足約束條件的最優設計，其中，軸向筋條 的布局采用由單一控制變量描述的布局函數確定；
[0019] 步驟302,第二層優化中，基于第一層最優設計，將筋條厚度、筋條高度、軸向筋條 數量和環向筋條數量固定，利用梯度類局部優化方法，將每個曲筋的控制點坐標作為設計 變量，將軸壓加筋柱殼結構的軸壓承載力作為目標函數，將結構重量和/或結構制造成本 作為約束條件，對軸壓加筋柱殼結構進行優化設計，得到滿足約束條件的最優結果；
[0020] 步驟303,利用精細有限元分析，對最優結果進行校驗。
[0021] 優選的，所述代理模型包括；響應面模型、kriging模型或徑向基函數模型，所述 全局優化方法包括；粒子群算法、遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、禁忌捜索算法或免疫 算法。
[0022] 優選的，所述梯度類局部優化方法包括；最速下降法、可行方向法、單純形法、序列 線性規劃法或序列二次規劃法。
[0023] 優選的，通過W下公式來表示軸向筋條的布局函數：
[0024]
【主權項】
1. 一種軸壓加筋柱殼的開口補強方法，其特征在于，所述軸壓加筋柱殼的開口補強方 法包括： 步驟100,對含開口的軸壓加筋柱殼劃分遠口區和近口區，包括以下子步驟： 步驟101，利用特征值屈曲分析，獲得軸壓加筋柱殼的前η階屈曲模態； 步驟102,在前η階屈曲模態中篩選滿足篩選條件的前m階局部屈曲模態，進而將前m 階局部屈曲模態疊加形成混合模態形狀，其中，篩選條件為：屈曲變形大于屈曲變形閾值的 區域面積小于等于殼體總面積1/a，a取2至4 ; 步驟103,根據形成的混合模態形狀，將屈曲變形超過屈曲變形閾值的區域劃分為近口 區，其余區域為遠口區； 步驟200,在遠口區建立等效剛度模型，在近口區建立精細幾何模型，并獲得軸壓加筋 柱殼的混合分析模型； 步驟201，建立基于均勻化理論或漸進均勻化理論的軸壓加筋柱殼結構的等效剛度模 型，將遠口區的軸壓加筋柱殼等效為各向異性或各向同性光殼； 步驟202,基于由非均勻有理B樣條曲線描述的曲筋，在近口區建立精細幾何模型； 步驟203,設定近口區和遠口區的連接關系，得到含開口的軸壓加筋柱殼的軸壓承載能 力混合分析模型； 步驟300,對軸壓加筋柱殼進行開口補強優化，并對最優結果進行校驗。
2. 根據權利要求1所述的軸壓加筋柱殼的開口補強方法，其特征在于，步驟300中，對 軸壓加筋柱殼進行開口補強優化，并對最優結果進行校驗，包括以下子步驟： 步驟301，第一層優化中，利用代理模型結合全局優化方法，將筋條厚度、筋條高度、軸 向筋條數量和布局、環向筋條數量和布局以及鋪層角之一或其組合作為設計變量，將軸壓 加筋柱殼結構的軸壓承載力作為目標函數，將結構重量和/或結構制造成本作為約束條 件，對軸壓加筋柱殼結構進行優化設計，得到滿足約束條件的最優設計，其中，軸向筋條的 布局采用由單一控制變量描述的布局函數確定； 步驟302,第二層優化中，基于第一層最優設計，將筋條厚度、筋條高度、軸向筋條數量 和環向筋條數量固定，利用梯度類局部優化方法，將每個曲筋的控制點坐標作為設計變量， 將軸壓加筋柱殼結構的軸壓承載力作為目標函數，將結構重量和/或結構制造成本作為約 束條件，對軸壓加筋柱殼結構進行優化設計，得到滿足約束條件的最優結果； 步驟303,利用精細有限元分析，對最優結果進行校驗。
3. 根據權利要求2所述的軸壓加筋柱殼的開口補強方法，其特征在于，所述代理模型 包括：響應面模型、kriging模型或徑向基函數模型，所述全局優化方法包括：粒子群算法、 遺傳算法、模擬退火算法、蟻群算法、禁忌搜索算法或免疫算法。
4. 根據權利要求2所述的軸壓加筋柱殼的開口補強方法，其特征在于，所述梯度類局 部優化方法包括：最速下降法、可行方向法、單純形法、序列線性規劃法或序列二次規劃法。
5. 根據權利要求2所述的軸壓加筋柱殼的開口補強方法，其特征在于，通過以下公式 來表不軸向筋條的布局函數：
其中，Ci表示第一個筋條與第i個筋條之間的距離，λ表示筋條布局系數，N表示筋條 數量，Ld表不第一個筋條與最后一個筋條之間的距離。
【專利摘要】本發明涉及航空航天結構主承力構件設計領域，提供一種軸壓加筋柱殼的開口補強方法，所述軸壓加筋柱殼的開口補強方法包括：步驟100，對含開口的軸壓加筋柱殼劃分遠口區和近口區；步驟200，在遠口區建立等效剛度模型，在近口區建立精細幾何模型，并獲得軸壓加筋柱殼的混合分析模型；步驟300，對軸壓加筋柱殼進行開口補強優化，并對最優結果進行校驗。本發明能夠提高軸壓加筋柱殼的開口補強效率、降低計算成本。
【IPC分類】G06F17-50
【公開號】CN104866673
【申請號】CN201510279783
【發明人】郝鵬, 王博, 田闊, 李剛, 杜凱繁, 牛飛, 莫怡華, 周春曉
【申請人】大連理工大學
【公開日】2015年8月26日
【申請日】2015年5月28日