一种桁式半硬壳结构轴压稳定性的数值分析方法
【专利摘要】本发明公开了一种桁式半硬壳结构轴压稳定性的数值分析方法：S1：建立桁式半硬壳结构的有限元模型，蒙皮简化为板单元，蒙皮环向的网格剖分满足相邻桁条间的蒙皮只简化为1个单元；S2：确定桁条的典型位置；S3：根据当量轴压，计算各典型位置桁条分配的轴力；S4：计算各典型位置的蒙皮有限宽度；S5：根据蒙皮有限宽度得到各位置的蒙皮折减因子；S6：按照蒙皮折减因子对各典型位置间的蒙皮弹性模量进行折减，并按照稳定性计算方法得到初始的失稳特征值；S7：根据计算得到的失稳特征值修正当量轴压载荷，重复步骤S2~S6，直至失稳特征值收敛至1，此时施加的载荷即为桁式半硬壳结构的轴压极限载荷。
【专利说明】一种桁式半硬壳结构轴压稳定性的数值分析方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及航天设备强度分析【技术领域】，特别涉及一种桁式半硬壳结构轴压稳定 性的数值分析方法。
【背景技术】
[0002] 桁式半硬壳结构是航天航空领域一种常见的结构形式，这种结构主要由纵向加强 的桁条、环向加强的框，以及蒙皮组成。其中桁条是传递和承受轴向载荷的主要部件；环向 加强的框主要起支撑的作用；蒙皮主要提供桁条的环向和径向支撑，也提供承受部分轴向 载荷的能力，但往往在较低的载荷下就会出现局部失稳，失去了轴向承载能力。但是，蒙皮 局部失稳的载荷并非结构的承载能力，只有桁条和框的失稳才会导致结构的最终破坏。
[0003] 有限元分析依旧是工程上分析复杂结构轴压稳定性最常见的分析手段。但是，桁 式半硬壳结构特殊的结构形式给有限元分析带来了一定的困难。当框桁将蒙皮分成较多屏 格时，最简易的特征值算法（General eigenvalue buckling)往往在数十阶乃至数百阶或 更高阶的特征值也无法找出桁条或框的失稳点；常用的弧长法（Riks)同样存在问题，蒙皮 局部失稳后，常导致载荷很难回复，计算过程中止，后屈曲计算也难以获得桁条失稳载荷。 因此，显式动力学算法便成为计算这类结构失稳常用的有限元分析方法。但是，这种计算方 法有一定的限制，计算时间必须足够长，以保证载荷变化是一种准静态过程，这导致了计算 量的骤增。相同的有限元模型，显式动力学算法的分析时间是特征值法或弧长法的十倍甚 至数十倍。
【发明内容】
[0004] 本发明针对现有技术存在的上述不足，提供了一种桁式半硬壳结构轴压稳定性的 数值分析方法。本发明通过以下技术方案实现：
[0005] -种桁式半硬壳结构轴压稳定性的数值分析方法，包括步骤：
[0006] Sl :建立桁式半硬壳结构的有限元模型，蒙皮简化为板单元，桁条简化为梁单元或 板单兀，祐1条与蒙皮之间米用共节点连接，蒙皮环向的网格剖分满足相邻祐1条间的蒙皮只 简化为1个单元，蒙皮轴向的网格剖分满足相邻框间的蒙皮简化大于3个单元；
[0007] S2 :根据桁条尺寸、牌号和环向形式，确定桁条的典型位置；
[0008] S3 :根据当量轴压，计算各典型位置桁条分配的轴力；
[0009] S4 :根据有限宽度法计算各典型位置的蒙皮有限宽度；
[0010] S5 :根据蒙皮有限宽度和原连接点环向间距，得到各位置的蒙皮折减因子；
[0011] S6 :按照蒙皮折减因子对各典型位置间的蒙皮弹性模量进行折减，并按照稳定性 计算方法得到初始的失稳特征值；
[0012] S7 :根据计算得到的失稳特征值修正当量轴压载荷，重复步骤S2?S6,直至失稳 特征值收敛至1，此时施加的载荷即为桁式半硬壳结构的轴压极限载荷。
[0013] 较佳的，步骤S6中的稳定性计算方法包括特征值算法和弧长法算法。
[0014] 本发明的桁式半硬壳结构轴压稳定性的数值分析方法能够准确、快速地计算桁式 半硬壳结构的轴压承载能力，可以广泛应用于航天运载器、飞行器的舱体结构设计
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1所示的是一桁式半硬壳结构的示意图；
[0016] 图2所示的是一桁式半硬壳结构的有限元模型示意图。
【具体实施方式】
[0017] 以下将结合本发明的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述 和讨论，显然，这里所描述的仅仅是本发明的一部分实例，并不是全部的实例，基于本发明 中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
[0018] 为了便于对本发明实施例的理解，下面将结合附图以具体实施例为例作进一步的 解释说明，且各个实施例不构成对本发明实施例的限定。
[0019] 一种桁式半硬壳结构的轴压稳定性数值分析方法，包括以下步骤：
[0020] Sl :建立桁式半硬壳结构的有限元模型，蒙皮简化为板单元，桁条简化为梁单元或 板单元，桁条与蒙皮之间采用共节点连接。此外，蒙皮环向的网格剖分满足相邻桁条间的蒙 皮只简化为1个单元，蒙皮轴向的网格剖分满足相邻框间的蒙皮简化大于3个单元；
[0021] S2 :根据桁条材料、牌号和环向分布形式，确定桁条的典型位置。每环向相邻的两 根桁条定义为一个位置。若各位置之间对应的桁条材料、牌号及环向夹角相同，这些位置视 为一个典型位置；
[0022] S3 :典型位置桁条的轴力通过下式计算：
【权利要求】
1. 一种桁式半硬壳结构轴压稳定性的数值分析方法，其特征在于，包括步骤： 51 :建立桁式半硬壳结构的有限元模型，蒙皮简化为板单元，桁条简化为梁单元或板单 元，桁条与蒙皮之间采用共节点连接，蒙皮环向的网格剖分满足相邻桁条间的蒙皮只简化 为1个单元，蒙皮轴向的网格剖分满足相邻框间的蒙皮简化大于3个单元； 52 :根据桁条尺寸、牌号和环向形式，确定桁条的典型位置； 53 :根据当量轴压，计算各典型位置桁条分配的轴力； 54 :根据有限宽度法计算各典型位置的蒙皮有限宽度； 55 :根据蒙皮有限宽度和原连接点环向间距，得到各位置的蒙皮折减因子； 56 :按照蒙皮折减因子对各典型位置间的蒙皮弹性模量进行折减，并按照稳定性计算 方法得到初始的失稳特征值； 57 :根据计算得到的失稳特征值修正当量轴压载荷，重复步骤S2~S6,直至失稳特征值 收敛至1，此时施加的载荷即为桁式半硬壳结构的轴压极限载荷。
2. 根据权利要求1所述的桁式半硬壳结构轴压稳定性的数值分析方法，其特征在于， 步骤S6中所述的稳定性计算方法包括特征值算法和弧长法算法。
【文档编号】G06F17/50GK104408238SQ201410632619
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月11日 优先权日:2014年11月11日
【发明者】翼宾, 吕榕新, 王瑞凤, 史立涛, 杨颜志 申请人:上海宇航系统工程研究所