一种网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法与流程

本发明属于战术导弹结构强度设计分析技术领域，尤其涉及一种网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法。

背景技术：

薄壁结构具有轻质和承载性能良好等特点，被广泛应用于弹箭体舱段结构设计中。为满足撞击测量光纤的铺设要求，某型靶弹末修舱和仪器舱金属壳体采用了一种光筒壳外刻光纤槽的结构形式。相比传统的网格加筋和蒙皮桁条式薄壁结构形式，设计人员对这种新型网格开槽壳体的力学承载性能缺乏工程经验，尤其是其承受轴向压力载荷时的稳定性折减因子缺乏工程化的预测方法，进而无法确定壳体的轴压承载能力。

近年来，薄壁筒壳结构轴压承载能力确认技术得到了国内外多家研究机构的重视，并且一致认为精细化仿真分析与折减因子预测理论与方法是未来航天结构减重的重要途径。无独有偶，多家机构均采用缺陷敏感性分析模型，通过虚拟试验和实物试验相结合的方法来对折减因子进行预测。然而，这种方法仍然需要大量实验验证来提供确定折减因子所需的概率密度信息，难以适用于战术型号快速化和低成本的设计要求。因此，围绕战术导弹用网格开槽薄壁壳体，研究一种快速化的折减因子的预测方法，具有重要的工程意义。

技术实现要素：

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法，用于预测薄壁网格开槽壳体轴压极限载荷折减因子，以确定壳体承载能力是否满足设计要求。

为了解决上述技术问题，本发明公开了一种网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法，包括：

步骤1，建立网格开槽壳体对应的有限元模型；

步骤2，在网格开槽壳体中部横纵开槽交汇位置施加单一指定位移载荷，根据所述有限元模型和施加的单一指定位移载荷进行静力分析，得到含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型；

步骤3，对所述含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型进行非线性后屈曲分析，得到轴压极限载荷；

步骤4，通过改变所述单一指定位移载荷的大小，得到单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线；其中，所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线，用于指示不同初始单点的凹陷缺陷程度的轴压极限载荷；

步骤5，根据所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线的收敛性，确定被引入单点凹陷缺陷程度；

步骤6，针对确定的被引入单点凹陷缺陷程度，通过改变单点凹陷的轴向位置，得到含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型集合；

步骤7，根据所述含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型集合，确定单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线；

步骤8，根据所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线和所述单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线，得到所述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测结果。

在上述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法中，所述建立网格开槽壳体对应的有限元模型，包括：

当所述网格开槽壳体为截锥形网格开槽金属壳体时，采用六面体实体单元对所述网格开槽壳体为截锥形网格开槽金属壳体进行离散，建立所述有限元模型；其中，所述截锥形网格每个节点包括三个平动自由度，所述有限元模型的下端固支，上端面节点与端面圆心位置参考点刚性耦合、且参考点除轴向位移外的其余所有自由度被约束。

在上述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法中，所述在网格开槽壳体中部横纵开槽交汇位置施加单一指定位移载荷，根据所述有限元模型和施加的单一指定位移载荷进行静力分析，得到含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型，包括：

在网格开槽壳体中部横纵开槽交汇位置施加单一指定位移载荷，采用非线性隐式静力学法进行几何大变形静力分析，得到单点凹陷变形分布；

根据所述单点凹陷变形分布确定凹陷区域节点位移量；

将所述凹陷区域节点位移量叠加至有限元模型，得到所述含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型。

在上述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法中，所述对所述含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型进行非线性后屈曲分析，得到轴压极限载荷，包括：

在初始单点上施加轴压位移载荷，采用显示动力学法进行后屈曲分析，直至所述网格开槽壳体的结构发生压溃破坏，通过绘制轴压位移载荷加载点的位移-反力曲线，得到轴压极限载荷。

在上述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法中，所述通过改变所述单一指定位移载荷的大小，得到单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线，包括：

通过改变所述单一指定位移载荷的大小，重复执行步骤1-3，得到不同初始单点凹陷缺陷程度的轴压极限载荷；

根据得到的不同初始单点凹陷缺陷程度的轴压极限载荷，绘制得到所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线。

在上述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法中，所述根据所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线的收敛性，确定被引入单点凹陷缺陷程度，包括：

从所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线中，筛选得到满足设定收敛阈值的被引入单点凹陷缺陷程度。

在上述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法中，所述根据所述单点凹陷程度缺陷对轴压承载的敏感性曲线和所述单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线，得到所述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测结果，包括：

根据所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线和所述单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线，将轴压极限载荷的下限值与不引入任何缺陷的完美结构模型轴压极限载荷做比，得到比值结果；

根据所述比值结果，得到所述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测结果。

本发明具有以下优点：

本发明所述的网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法，适用于金属薄壁网格开槽壳体单点凹陷缺陷的建模和敏感性分析，引入缺陷模式简单，建模高效，便于工程上快速得到此类网格开槽壳体的轴压承载折减因子。其次，本发明揭示了网格开槽金属壳体轴压极限载荷对单点凹陷缺陷大小的敏感性规律，能够快速评估凹陷大小对此类网格开槽壳体的轴压承载效率的影响。此外，本发明还揭示了网格开槽金属壳体轴压极限载荷对单点凹陷缺陷位置的敏感性规律，能够快速评估凹陷位置对此类网格开槽金属壳体轴压承载效率的影响。

附图说明

图1是本发明实施例中一种网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法的步骤流程图；

图2是本发明实施例中一种截锥形网格开槽金属壳体对应的有限元模型的示意图；

图3是本发明实施例中一种指定位移载荷作用下网格开槽结构变形情况示意图；

图4是本发明实施例中一种轴压位移载荷加载点的位移-反力曲线示意图；

图5是本发明实施例中一种单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线示意图；

图6是本发明实施例中一种引入单点凹陷位置示意图；

图7是本发明实施例中一种单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明公共的实施方式作进一步详细描述。

本发明所述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法主要可以针对薄壁网格开槽壳体，考虑薄壁网格开槽壳体在加工、装配、运输和服役期间最易产生的外力撞击凹陷，借助缺陷敏感性数值分析方法，对所述薄壁网格开槽壳体的轴压承载折减因子进行预测。

参照图1，示出了本发明实施例中一种网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法的步骤流程图。在本实施例中，所述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法，包括：

步骤101，建立网格开槽壳体对应的有限元模型。

在本实施例中，可以根据(薄壁)网格开槽壳体的具体结构，采用有限元分析法建立相应的有限元模型。例如，当所述网格开槽壳体为截锥形网格开槽金属壳体时，可以采用六面体实体单元对所述网格开槽壳体为截锥形网格开槽金属壳体进行离散，建立所述有限元模型。其中，所述截锥形网格每个节点包括三个平动自由度，所述有限元模型的下端固支，上端面节点与端面圆心位置参考点刚性耦合、且参考点除轴向位移外的其余所有自由度被约束。

步骤102，在网格开槽壳体中部横纵开槽交汇位置施加单一指定位移载荷，根据所述有限元模型和施加的单一指定位移载荷，得到含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型。

优选的，在本实施例中，可以在网格开槽壳体中部横纵开槽交汇位置施加单一指定位移载荷，采用非线性隐式静力学法进行几何大变形静力分析，得到单点凹陷变形分布；然后，根据所述单点凹陷变形分布确定凹陷区域节点位移量。最后，将所述凹陷区域节点位移量叠加至有限元模型，得到所述含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型。

其中，所述网格开槽壳体中部横纵开槽交汇位置可以是所述网格开槽壳体中部的任意适当位置，本实施例对此不作限制。

步骤103，对所述含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型进行非线性后屈曲分析，得到轴压极限载荷。

在本实施例中，可以在初始单点上施加轴压位移载荷，采用显示动力学法进行后屈曲分析，直至所述网格开槽壳体的结构发生压溃破坏，通过绘制轴压位移载荷加载点的位移-反力曲线，得到轴压极限载荷。

步骤104，通过改变所述单一指定位移载荷的大小，得到单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线。

在本实施例中，所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线可以用于指示不同初始单点的凹陷缺陷程度的轴压极限载荷。具体的，可以通过改变所述单一指定位移载荷的大小，重复执行步骤101-103，进而得到不同初始单点凹陷缺陷程度的轴压极限载荷；然后，根据得到的不同初始单点凹陷缺陷程度的轴压极限载荷，绘制得到所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线。

步骤105，根据所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线的收敛性，确定被引入单点凹陷缺陷程度。

在本实施例中，可以从所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线中，筛选得到满足设定收敛阈值的被引入单点凹陷缺陷程度。

步骤106，针对确定的被引入单点凹陷缺陷程度，通过改变单点凹陷的轴向位置，得到含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型集合。

在本实施例中，对于选定的被引入单点凹陷缺陷程度，考虑壳体轴向对称性，单点凹陷缺陷的位置变量仅表现为沿壳体轴向的分布。因此，可以通过改变单点凹陷的轴向位置，得到一系列不同的含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型，也即，得到所述含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型集合，进而可以借助非线性后屈曲分析方法得到单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线。

步骤107，根据所述含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型集合，确定单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线。

步骤108，根据所述单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线和所述单点凹陷位置缺陷敏感性曲线缺陷敏感性曲线，得到所述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测结果。

在本实施例中，具体可以根据所述单点凹陷程度缺陷敏感性曲线缺陷敏感性曲线和所述单点凹陷位置缺陷敏感性曲线缺陷敏感性曲线，将轴压极限载荷的下限值与不引入任何缺陷的完美结构模型轴压极限载荷做比，得到比值结果；然后，根据所述比值结果，得到所述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测结果。

在本发明实施例中，为了便于理解，下面通过一个具体实例，对上述网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法的具体实现进行详细说明。

一、单点凹陷缺陷建模

参照图2，示出了本发明实施例中一种截锥形网格开槽金属壳体对应的有限元模型的示意图。在本实施例中，所述截锥形网格开槽金属壳体的具体参数可以如下：小端直径800mm，大端直径1000mm，高800mm，壁厚5mm，外侧沿环向和母线方向开槽深2mm，铝合金材料(zl114a)，弹性模量e为71gpa，泊松比v为0.3，屈服极限为220mpa，强度极限为300mpa。

优选的，可以基于abaqus软件建立所述截锥形网格开槽金属壳体对应的有限元模型：采用六面体实体单元c3d8i对所述截锥形网格开槽金属壳体进行离散；将上端面节点与端面圆心位置参考点进行刚性耦合且约束参考点除轴向位移外的其余所有自由度。其中，每个节点有三个平动自由度，所述截锥形网格开槽金属壳体对应的有限元模型下端固支。考虑结构刚度分布特点，选取壳体中部任意横纵开槽交汇位置，即最易发生单点凹陷位置施加单一指定位移载荷(如图2所示的单一指定位移载荷f)，采用非线性隐式静力学法进行几何大变形分析，得到单点凹陷变形分布；根据所述单点凹陷变形分布确定凹陷区域节点位移量；将所述凹陷区域节点位移量叠加至图2所示的截锥形网格开槽金属壳体对应的有限元模型中，得到如图3所示的含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型。其中，图3，示出了本发明实施例中一种指定位移载荷作用下网格开槽结构变形情况示意图。

二、凹陷程度确定性分析

首先，针对上述含初始单点凹陷缺陷的非完美结构模型，仍然在模型下端施加固支约束，将上端面节点与圆心位置参考点进行刚性耦合且约束参考点除轴向位移外的其余所有自由度，在初始单点上施加轴压位移载荷，采用显示动力学法进行后屈曲分析，直至结构发生压溃破坏，进而绘制得到轴压位移载荷加载点的位移-反力曲线，根据绘制的轴压位移载荷加载点的位移-反力曲线可以确定当前单点凹陷缺陷程度下的壳体轴压极限载荷，即图3中所示的曲线出现明显向下拐点位置。其中，图4，是本发明实施例中一种轴压位移载荷加载点的位移-反力曲线示意图。

其次，通过改变图2中单一指定位移载荷f的大小，重复第一节的几何大变形分析得到不同初始单点凹陷缺陷程度的非完美结构模型。在本实施例中，考虑壳体5mm壁厚实际情况，可以指定位移载荷f的大小在0～6mm范围进行选取。

再次，对变化指定位移载荷大小所得到的一系列非完美结构模型，重复第二节中的后屈曲分析，即可得到一系列不同初始单点凹陷缺陷程度的轴压极限载荷。

最后，可以根据得到的一系列不同初始单点凹陷缺陷程度的轴压极限载荷，绘制得到指定位移载荷大小与结构轴压极限载荷的关系曲线，即得图5所示的单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线。其中，图5，示出了本发明实施例中一种单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线示意图。

此外，在本实施例中，可以根据下述公式(1)定义的收敛性判定要求，可以确定4mm指定位移载荷作用下的凹陷变形量为合理的初始缺陷程度。

其中，表示按照指定位移载荷f由小到大排列的第i个非完美结构模型的轴压极限载荷，λ为收敛因子。可以看出，当指定位移载荷＜4mm时，网格开槽壳体的轴压极限载荷随着指定位移的增大而急剧下降，且破坏时刻结构的屈曲变形从凹陷引发的局部失稳快速发展成整体失稳波形；当指定位移载荷＞4mm后，开槽壳体总是在较小的轴压载荷下就出现局部失稳，但结构仍能继续承载，直至局部屈曲变形演化成为整体失稳波形。其中，3％表示设定收敛阈值，需要说明的是，设定收敛阈值包括但不仅限于3％，如还可以是5％，本实施例对此不作限制。

三、凹陷位置敏感性分析

首先，由壳体轴对称特性可知，单点凹陷缺陷的位置变量仅表现为沿壳体轴向的分布，选取壳体外侧同一条母线方向上不同纵横开槽交汇位置，如，可以选择图6中所示的点1-7为凹陷引入位置。其中，图6，示出了本发明实施例中一种引入单点凹陷位置示意图。

其次，分别依次在点1-7施加4mm指定位移载荷f，重复第一节的几何大变形分析，得到一系列的不同初始单点凹陷缺陷位置的非完美结构模型。

再次，对不同初始单点凹陷缺陷位置所对应的一系列非完美结构模型，重复第二节中的后屈曲分析，便可得到相应一系列不同初始单点凹陷缺陷位置的轴压极限载荷。

最后，可以根据得到的一系列不同初始单点凹陷缺陷位置的轴压极限载荷，绘制得到的位移载荷位置与结构轴压极限载荷的关系曲线，即得图7所示的单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线。其中，图7，示出了本发明实施例中一种单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线示意图。

从图7中可以看出：壳体中部缺陷敏感性最大，即当4mm指定位移载荷引起的初始凹陷缺陷位于壳体中部时(4号点)，其轴压极限载荷最低。进一步，在本实施例中，可以对中部的引入缺陷位置进行加密，增加如图6中所示的点8和9，发现仍然是点4位置引入初始单点凹陷缺陷的轴压极限载荷最低，此时壳体的破坏过程仍然表现为首先在较小的轴压载荷下出现局部失稳，但结构仍能继续承载，直至局部屈曲变形演化成为整体失稳波形。

四、折减因子预测

在本实施例中，可以借助图5示出的单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线和图7示出的单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线，确定所述两条曲线(单点凹陷程度对轴压承载的缺陷敏感性曲线和单点凹陷位置对轴压承载的缺陷敏感性曲线)上轴压极限载荷的最小值fmin，进而确定上轴压极限载荷的最小值fmin与不引入任何缺陷的完美结构模型轴压极限载荷f0的比值，并将该比值作为预测的该截锥形网格开槽金属壳体的轴压承载折减因子k：

在本实施例中，对比图5(0mm指定移载荷作用下轴压极限载荷2.32×10⁶n)和图7(4号点4mm指定位移载荷作用下轴压极限载荷1.97×10⁶n)的数据可以得出：该截锥形网格开槽金属壳体的轴压承载折减因子k为0.85。

综上所述，本发明所述的网格开槽壳体的轴压承载折减因子的预测方法，适用于金属薄壁网格开槽壳体单点凹陷缺陷的建模和敏感性分析，引入缺陷模式简单，建模高效，便于工程上快速得到此类网格开槽壳体的轴压承载折减因子。其次，本发明揭示了网格开槽金属壳体轴压极限载荷对单点凹陷缺陷大小的敏感性规律，能够快速评估凹陷大小对此类网格开槽壳体的轴压承载效率的影响。此外，本发明还揭示了网格开槽金属壳体轴压极限载荷对单点凹陷缺陷位置的敏感性规律，能够快速评估凹陷位置对此类网格开槽金属壳体轴压承载效率的影响。

本说明中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

以上所述，仅为本发明最佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。