一种壁板结构静强度、刚度、稳定性的综合优化方法，在优化设计过程中，除了传统的静强度、刚度外，引入壁板结构的综合稳定性判别系数作为约束条件，即在迭代过程中，对包括壁板筋条压缩稳定性、压损强度，蒙皮结构的压缩稳定性、剪切稳定性以及壁板的整体稳定性等多种失稳模式进行自动计算和判别，以结构的总重量最小为目标，对壁板结构的尺寸参数进行优化，使得优化后的壁板结构在静强度、刚度以及综合稳定性性能均满足设计要求的前提下，结构重量最轻，避免传统工程设计和优化后，重新对结构的各种稳定性进行计算，以解决传统方法计算成本增大且存在设计更改的风险的问题，大幅度提高了设计效率。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种壁板结构优化方法，特别是一种壁板结构静强度、刚度、稳定性的 综合优化方法，属于结构设计领域。
技术介绍
随着航空航天技术的飞速发展，对飞行器的性能要求越来越高，传统基于经验的 结构设计思想已不能完全满足高性能飞行器的设计要求，应用于该领域的结构设计思想开 始向现代结构优化设计转移。现代结构优化设计是现代结构设计技术中的一种创新设计思 想，该方法将现代计算力学、数值分析与数学规划等理论相结合，以具有大存储量和高速处 理能力的计算机为设计平台，科学、自动、可靠而高效地进行结构设计，求解出满足各种约 束条件下的最佳结构构型方案。 薄壁壁板结构是航空航天飞行器结构的最主要的结构形式，设计过程中，对其轻 质化以及各性能指标的要求均非常严格。在各项性能中稳定性往往是导致该种结构破坏的 最重要的失效模式。壁板作为组合结构，其在设计中应考虑的稳定性失效模式并不单一，需 同时考虑筋条的压缩稳定和压损强度，蒙皮（或腹板）结构的压缩稳定性、剪切稳定性以及 壁板结构的整体稳定性等。然而，在传统的优化设计中，只能单纯的以结构的第一类设计响 应为约束条件，即在优化迭代计算的过程中，仅能对其直接静态响应（应力、应变、位移）进 行约束，优化结果局仅限于结构的静强度、刚度满足设计要求，需要对壁板结构的各种稳定 性进行单独的校核。一则由于稳定性校核的计算量远大于静强度、刚度校核，设计效率低； 二则若稳定性校核不满足设计要求，需要对结构进行更改，静强度、刚度仍要重新计算，前 期优化为无用功，失去了优化的作用，如此反复实则为人为计算迭代，设计成本和周期均大 幅度增加。 鉴于此，有必要研究一种能够综合考虑静强度、刚度以及工程设计中必须的稳定 性设计准则的优化设计方法，并集成于CAE工程设计软件中，提高壁板结构设计效率，使现 代优化设计方法在飞行器结构设计中真正发挥作用。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供了一种壁板结构静强度、刚 度、稳定性的综合优化方法。在传统的优化设计方法基础上，引入壁板结构的综合稳定性判 别系数作为约束条件，即在迭代过程中，对包括壁板筋条压缩稳定性、压损强度，蒙皮（面 板）结构的压缩稳定性、剪切稳定性以及壁板的整体稳定性（板屏失稳）等多种失稳模式 进行自动计算和判别，以结构的总重量最小为目标，对壁板结构的尺寸参数进行优化，使得 优化后的壁板结构在静强度、刚度以及综合稳定性性能均满足设计要求的前提下，结构重 量最轻，避免传统工程设计和优化后，重新对结构的各种稳定性进行计算，以解决传统方法 计算成本增大且存在设计更改的风险的问题，大幅度提高设计效率。 本专利技术的技术解决方案是：， 步骤如下： (1)对待分析的壁板结构进行有限元建模，将壁板结构的筋条用杆单元或梁单元 进行等效，蒙皮和面板结构用四边形板单元或壳单元进行等效，并对壁板结构的材料属性 进行赋予，若包含复合材料，则对单层材料属性、铺层角度以及铺层序列进行赋予； (2)选取优化变量，所述优化变量为有限元建模后壁板结构的具体尺寸，所述尺寸 包括：四边形板单元或壳单元的厚度、杆单元的截面积和梁单元的具体截面尺寸； (3)定义壁板结构优化目标函数； (4)定义壁板结构优化约束条件，所述优化约束条件包括静强度约束条件、刚度约 束条件和稳定性约束条件； (5)利用步骤（3)中的优化目标函数和步骤（4)中的壁板结构优化约束条件，对壁 板结构的静强度、刚度和稳定性进行综合优化，获得最终优化结果； (6)判断步骤（5)中的优化结果是否满足预先设定的要求，若不满足，则返回步骤 (1)，重新建立有限元模型；否则，结束优化过程。 所述步骤（3)中的壁板结构优化目标函数为使得壁板结构的重量最小的函数。 所述静强度约束条件具体为： 若壁板结构为金属材料，则静强度约束条件为：壁板结构的VonMises应力小于等 于设计许用值；若壁板结构为复合材料，则静强度约束条件为：壁板结构的最大拉应变和 最大压应变的绝对值小于等于设计许用值。 所述刚度约束条件具体为：所选取的关注位置节点在关注方向上的位移值小于等 于预设值。 所述稳定性约束条件具体为：壁板结构的各种稳定性的失稳判别系数小于等于 1，所述稳定性包括：筋条结构的压缩稳定性、筋条结构的压损强度，面板结构的压缩稳定 性、面板结构的剪切稳定性和壁板结构的整体稳定性。 所述利用步骤（3)中的优化目标函数和步骤（4)中的壁板结构优化约束条件，对 壁板结构的静强度、刚度和稳定性进行综合优化，获得最终优化结果，通过PATRAN的PCL语 言实现。 所述通过PATRAN的PCL语言实现，具体为： (5-1)读入原始bdf文件，即步骤⑴中建立的待分析壁板结构的有限元模型文 件； (5-2)定义基本优化模型，通过Patran界面或Nastran卡片，定义优化变量、目标 函数、静强度约束条件和刚度约束条件； (5-3)定义第二类设计响应，即以有限元模型中的尺寸参数或仿真分析的结构响 应值为自变量，以稳定性优化过程中的过程参数为函数，定义方程，实现稳定性优化模型的 建立，其中，过程参数包括：筋条/长桁压缩失稳临界应力、筋条/长桁的压损临界应力、面 板/蒙皮结构的压缩失稳临界应力、面板/蒙皮结构的剪切失稳临界应力、壁板结构的有效 宽度、壁板结构等效刚度和壁板结构的整体稳定性临界应力； (5-4)定义第二类设计约束，以壁板结构尺寸参数、第二类设计响应和结构响应 值为自变量，以失稳判别系数为函数的方程，实现第二类设计约束，即稳定性约束的建立， 所述壁板结构尺寸参数为优化变量，第二类设计响应为稳定性优化过程参数，所述失稳判 别系数为实际应力与临界应力的比值或实际内力与临界内力的比值，若稳定性满足设计要 求，则失稳判别系数小于等于1 ; (5-5)将步骤（5-4)中定义的第二类设计约束添加到（5-2)定义的基本优化模 型中，完成综合考虑静强度、刚度和多种稳定性的壁板结构优化设计模型的建立，并提交 Nastran进行计算； (5-6)输出Nastran计算结果，即为本专利技术中壁板结构静强度、刚度、稳定性的综 合优化结果。 所述步骤（5-3)中筋条/长桁压缩失稳临界应力、筋条/长桁的压损临界应力、面 板/蒙皮结构的压缩失稳临界应力、面板/蒙皮结构的剪切失稳临界应力、壁板结构的有效 宽度、壁板结构等效刚度和壁板结构的整体稳定性临界应力具体为： 所述筋条/长桁压缩失稳临界应力由公式： 给出，其中L为板屏长度，C为端部支持系数，其中I为筋条 /长桁截面最小惯性矩，A为筋条/长桁截面面积；E为筋条/长桁材料的属性弹性模量，π 为圆周率； 所述筋条/长桁的压损临界应力由公式： 给出，式中η为筋条/长桁的板元个数，bn为每个板元的宽度，t "为每个板元的厚 0 crippling, η 为每个板元的压损应力； 所述面板/蒙皮结构的压缩失稳临界应力由公式： 给出，其中k为压缩临界应力系数，V为材料泊松比，t为面板/蒙皮的厚度，b为 长桁间距； 所述面板/蒙皮结构的剪切失稳临界应力由公式： 给出，其中匕为剪切临界应力系数； 所述壁板结构的有效宽度由公式：CN 105184390 A 说明书 4/9 页 给出，其中K为修正压缩系数： 所本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种壁板结构静强度、刚度、稳定性的综合优化方法，其特征在于步骤如下：(1)对待分析的壁板结构进行有限元建模，将壁板结构的筋条用杆单元或梁单元进行等效，蒙皮和面板结构用四边形板单元或壳单元进行等效，并对壁板结构的材料属性进行赋予，若包含复合材料，则对单层材料属性、铺层角度以及铺层序列进行赋予；(2)选取优化变量，所述优化变量为有限元建模后壁板结构的具体尺寸，所述尺寸包括：四边形板单元或壳单元的厚度、杆单元的截面积和梁单元的具体截面尺寸；(3)定义壁板结构优化目标函数；(4)定义壁板结构优化约束条件，所述优化约束条件包括静强度约束条件、刚度约束条件和稳定性约束条件；(5)利用步骤(3)中的优化目标函数和步骤(4)中的壁板结构优化约束条件，对壁板结构的静强度、刚度和稳定性进行综合优化，获得优化结果；(6)判断步骤(5)中的优化结果是否满足预先设定的要求，若不满足，则返回步骤(1)，重新建立有限元模型；否则，结束优化过程。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：吴迪，郭爱民，肖凯，刘维玮，王月，苏玲，李晓乐，田甜，王悦，张涛，
申请(专利权)人：中国运载火箭技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。