一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计方法技术

一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计方法，属于航空航天结构主承力构件设计技术领域。步骤：1)建立加筋筒壳初始设计有限元模型，并基于非线性显式后屈曲分析进行缺陷敏感性分析；2)确定刚度折减关系函数，建立加筋筒壳结构的不完全折减刚度屈曲分析模型；3)基于不完全折减刚度法开展面向缺陷容忍的加筋筒壳优化设计；4)对优化结果的非完善模型进行承载分析和精度验证。本发明专利技术充分考虑结构设计和极限承载以及缺陷敏感性的耦合关系，通过同时提高结构的理论承载和抗缺陷能力，实现航天筒壳结构的精细化、轻量化设计；能够实现航天加筋筒壳结构面向缺陷容忍的快速优化设计，解决运载火箭中复杂薄壁结构精细化、轻量化设计计算成本高的问题。算成本高的问题。算成本高的问题。

【技术实现步骤摘要】
一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计方法


[0001]本专利技术属于航空航天结构主承力构件设计
，涉及一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计方法。
技术背景
[0002]薄壁筒壳结构具有高比刚度和高比强度，因此被广泛应用于运载火箭等航天装备的主承力构件中。在火箭发射过程中，薄壁筒壳结构由于过载承受着巨大的轴压载荷，易发生屈曲失稳，从而导致结构失效。因此薄壁筒壳结构在轴压工况下的极限承载能力是运载火箭等航天结构设计过程中的关键考核指标。然而，筒壳结构的屈曲载荷表现为强缺陷敏感性，即使微幅的几何缺陷也会引起其极限承载的大幅折减，而缺陷又是加工、运输、装配等过程无法避免的，因此在航天薄壁筒壳结构的设计过程中必须考虑缺陷对其极限承载的影响。
[0003]在传统的筒壳结构设计过程中，是将完美结构的临界失稳载荷乘以一个较为保守的固定折减因子作为设计载荷。即其本质仍是以完美结构承载能力作为设计载荷，忽略了筒壳结构设计的改变对缺陷敏感性的影响，用较低折减因子增加安全裕度来保障结构的安全可靠，这无疑会导致结构超重。特别是在我国新一代大直径运载火箭对运载能力跨越式提高的要求下，箭体结构的直径和质量将大幅提高，结构轻量化需求导致航天复合薄壁筒壳等效厚度相对变薄，其缺陷敏感性问题将愈发突出。
[0004]因此，为了充分挖掘航天筒壳结构的轻量化设计空间，实现航天筒壳的主动减重设计，需要开展面向缺陷容忍的筒壳结构设计，即在设计过程中就考虑结构设计与临界失稳载荷和结构缺陷敏感性的耦合关系，通过同步提升结构的屈曲载荷和抗缺陷能力，获得给定质量约束下设计载荷最大化的筒壳结构设计，在保证航天结构安全可靠的前提下，实现筒壳结构的精细化和轻量化设计。在筒壳结构优化设计过程中，为了较高精度分析预测含缺陷非完善筒壳结构的极限承载能力，需要进行基于显式动力学的后屈曲承载分析。但对于含加筋等丰富结构细节特征的航天复杂薄壁筒壳结构来说，考虑缺陷敏感性的单次承载分析极其耗时，其优化所需的计算成本更是难以接受。
[0005]综上所述，目前亟需建立一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计方法，以可以接受的较小的计算成本开展面向缺陷容忍的航天加筋筒壳结构设计，实现航天主承力筒壳结构的精细化轻量化设计。

技术实现思路

[0006]本专利技术主要解决计及缺陷敏感性加筋筒壳结构优化过程由于非线性显式后屈曲分析耗时导致计算成本高的问题，提出一种面向缺陷容忍的航天加筋筒壳快速优化设计方法。通过使用不完全折减刚度法(incomplete Reduced stiffness method,iRSM)，建立含缺陷非完善筒壳结构的极限承载快速分析低保真度模型，替代耗时的非线性显式后屈曲分析，进行面向缺陷容忍的加筋筒壳优化设计，以在一定的质量约束条件下，相对快速地为运
载火箭等航天装备提供一个缺陷影响下设计载荷最大的加筋筒壳结构设计。
[0007]为了达到上述目的，本专利技术的技术方案为：
[0008]一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计方法，包括以下步骤：
[0009]第一步，根据给定的加筋筒壳结构参数，建立加筋筒壳结构初始设计的几何完美有限元模型，选定特定形式的几何缺陷，并将相应的缺陷分布数据引入到完美的筒壳有限元数值模型当中，建立含缺陷的非完善筒壳有限元数值模型，使用弧长法、显式动力学等非线性后屈曲分析算法计算非完善加筋筒壳结构的极限承载能力，作为设计载荷。
[0010]第二步，根据第一步选定的几何缺陷形式和所采用的缺陷分布数据，以弧长法、显式动力学等非线性后屈曲分析计算的设计载荷作为基准数据，采用不完全折减刚度法建立给定几何缺陷形式下的加筋筒壳不完全折减刚度屈曲分析模型，实现含缺陷非完善加筋筒壳结构的极限承载快速分析。
[0011]所述的不完全折减刚度法是建立在线性屈曲系统基础上的，其具体技术过程为：
[0012]首先，建立第一步中几何完美有限元模型的线性屈曲分析系统，获取其几何刚度矩阵K
G
。然后，根据几何缺陷分布数据和有限元模型的网格信息，计算每个节点的缺陷幅值和单元缺陷水平值。在此基础上确定刚度折减关系函数，建立几何缺陷和单元膜刚度的映射关系，以精确确定所有单元的刚度成分，并通过计算每个单元的刚度矩阵和组装，得到不完全折减刚度屈曲系统的总刚度矩阵，最终建立非完善加筋筒壳结构的不完全折减刚度屈曲分析系统，其公式如下所示：
[0013]{(∑fK
iem
+K
b
)+λ”K
G
}Φ”＝0
ꢀꢀ
(1)
[0014]其中，f为缺陷水平和膜刚度成分的折减关系函数，K
em
为单元的膜刚度矩阵，K
b
为结构的弯曲刚度矩阵，K
G
为结构的几何刚度矩阵，i为单元的编号，λ”和Φ”分别为不完全折减刚度模型的屈曲载荷和屈曲模态。通过对上述不完全折减刚度屈曲分析系统进行求解，即可获得含缺陷非完善加筋筒壳结构的极限承载能力，完成非完善加筋筒壳的低保真度快速分析。
[0015]因此，只要确定了加筋筒壳的几何结构缺陷和膜刚度成分的折减关系函数，就可以在线性屈曲系统下，实现给定几何缺陷形式和分布下的非完善筒壳结构承载能力快速分析。
[0016]第三步，使用第二步建立的加筋筒壳不完全折减刚度屈曲分析模型，进行含缺陷非完善加筋筒壳结构的承载力低保真度快速分析，替代弧长法、显式动力学等耗时的非线性后屈曲分析，并使用优化算法进行面向缺陷容忍的加筋筒壳结构优化设计，通过对蒙皮厚度，筋条高度，筋条厚度，筋条布局参数等设计变量进行调整，提高含缺陷非完善加筋筒壳结构的极限承载能力，实现给定质量约束下，加筋筒壳结构设计载荷的最大化设计。
[0017]第四步，使用弧长法、显式动力学等非线性后屈曲分析对第三步获得的优化设计结果进行含缺陷非完善模型的极限承载分析和不完全折减刚度法的精度验证。以非线性后屈曲算法的计算结果为基准，计算不完全折减刚度法的相对误差，若精度满足要求(精度要求需使用者具体给定，一般为误差不大于10％)，则可获得加筋筒壳的最终设计，若不满足分析精度要求，则将优化结果补充到第二步中的基准数据中，返回第二步，对刚度折减关系函数进行更新，并重新进行第三步的面向缺陷容忍的加筋筒壳优化设计，直至满足精度要求。至此，完成了面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计。
Load Approach,SPLA)，进行加筋筒壳结构初始设计的缺陷敏感性分析。具体而言，首先在筒壳外壁中部施加一个扰动载荷，以在筒壳上产生单个凹坑形式的几何缺陷。然后，将几何缺陷引入到筒壳完美的有限元中，并基于非线性显式后屈曲分析获得非完善筒壳结构的极限承载能力。随后，逐渐增加扰动载荷的大小，就可以获得如图2所示的几何缺陷敏感性分析曲线。可以看出，对于加筋筒壳初始设计，其极限承载能力随着扰动载荷的增加逐渐降低并趋于收敛。并且以扰动载荷为8kN时，结构的极限承载作为承载下限和设计载荷，可得初始设计的设计载荷为3209.3kN本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，根据给定的加筋筒壳结构参数，建立加筋筒壳结构初始设计的几何完美有限元模型，选定特定形式的几何缺陷，并将相应的缺陷分布数据引入到完美的筒壳有限元数值模型当中，建立含缺陷的非完善筒壳有限元数值模型，采用非线性后屈曲分析算法计算非完善加筋筒壳结构的极限承载能力，作为设计载荷；第二步，根据第一步选定的几何缺陷形式和所采用的缺陷分布数据，采用第一步得到的设计载荷作为基准数据，采用不完全折减刚度法建立给定几何缺陷形式下的加筋筒壳不完全折减刚度屈曲分析模型，实现含缺陷非完善加筋筒壳结构的极限承载快速分析；所述的不完全折减刚度法是建立在线性屈曲系统基础上的，其具体技术过程为：首先，建立几何完美有限元模型的线性屈曲分析系统，获取其几何刚度矩阵K
G
；然后，根据几何缺陷分布数据和有限元模型的网格信息，计算每个节点的缺陷幅值和单元缺陷水平值；在此基础上确定刚度折减关系函数，建立几何缺陷和单元膜刚度的映射关系，以精确确定所有单元的刚度成分，并通过计算每个单元的刚度矩阵和组装，得到不完全折减刚度屈曲系统的总刚度矩阵，最终建立非完善加筋筒壳结构的不完全折减刚度屈曲分析系统，其公式如下所示：{(∑fK
iem
+K
b
)+λ”K
G
}Φ”＝0
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(1)其中，f为缺陷水平和膜刚度成分的折减关系函数，K
em
为单元的膜刚度矩阵，K
b
为结构的弯曲刚度矩阵，K
G
为结构的几何刚度矩阵，i为单元的编号，λ”和Φ”分别为不完全折减刚度模型的屈曲载荷和屈曲模态；通过求解不完全折减刚度屈曲分析系统，能够获得含缺陷非完善加筋筒壳结构的极限承载能力，完成非完善加筋筒壳的低保真度快速...

【专利技术属性】
技术研发人员：马祥涛，郝鹏，王法垚，王博，杨帆，章凌，刘观日，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：