一种轴压加筋柱壳的开口补强方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及航空航天结构主承力构件设计技术领域，尤其设及一种轴压加筋柱壳 的开口补强方法。
【背景技术】
[0002] 薄壁加筋结构具备轻质和承载性能良好等特点，被广泛应用于现代航空航天工 业。为满足设备安装、管线铺设、散热等需要，航空航天结构的薄壁加筋部段中不可避免地 存在开口，例如导弹火箭结构的级间段和仪器舱、飞机机身等。开口导致的结构材料和刚度 不连续会引起加筋壳体位移场和应力场的局部扰动，破坏了无矩应力状态，导致壳体承载 力降低，尤其对其后屈曲极限承载能力的影响更大，为此设计中不得不采用补强措施。然 而，国内外已有研究大多是从近口区的结构强度稳定性角度进行局部补强，导致相当多的 加筋柱壳设计方案超重，尤其对于开口较多的情况，超重将更为严重。该一方面由于现有 "局部补强"思路下的研究较少关注整体结构设计，尤其缺乏相关的结构一体化优化设计理 论框架；另一方面，受到传统加工工艺和设计理念的制约，目前加筋柱壳结构设计更多是面 向"直筋"，筋条缺乏更为丰富的形貌变化，也使得结构设计空间受限。事实上，缺乏整体设 计考虑的局部补强还常导致加筋柱壳近口区的刚度突变，易造成局部破坏。值得注意的是， 伴随我国重型运载火箭和大飞机的大直径、薄壁、超轻等越发苛刻的设计需求，W及承力结 构多功能性融合的趋势所导致的开口变大，关注局部传力路径的开口补强设计需求越发迫 切。
[0003] 近年来，国外学者Mulani等提出了整体型曲线加筋结构的概念。数字化制造技术 的快速发展使得该种不规则布局的筋条加工成型成为可能。对于金属材料，采用数控机械 锐切、3-D打印、电子束无模成形等技术即可完成加工制造。NASA兰利研究中屯、基于电子束 无模成形技术，制造了曲筋平板的侣合金样件，并完成了其panel级实验验证。但需要强调 的是，目前国外学者并没有对曲筋板壳的承载机理进行深入研究。事实上，如果将曲筋的设 计灵活性与加筋柱壳结构的开口补强需求结合起来，结构的局部传力路径将会得到极大改 善，加筋柱壳的轴压承载和开口补强效率也会因此提高。
[0004] 加筋柱壳结构的开口补强效率需要通过计算其轴压承载力来评估。目前来讲，加 筋柱壳结构承载力的数值预测大多基于等效刚度模型或者精细有限元模型。等效刚度模型 是基于均匀化理论或渐进均匀化理论将具备周期性的密肋加筋柱壳等效成各向异性或各 向同性的光壳，其计算效率极高，但适用条件苛刻，比如单胞必须具备周期性、满足密肋条 件等。对于轴压下的加筋柱壳，随着逐步加载结构可能呈现线性屈曲-非线性后屈曲-压 溃破坏行为，精细有限元模型可考虑分析过程中的材料非线性、几何非线性，W及各类缺陷 所带来的非线性因素，并且能够准确地模拟边界条件、载荷施加方式、结构性开口、筋条形 貌等模型细节。但精细有限元模型往往计算效率极低，该给开口加筋柱壳结构的轴压承载 能力分析与优化带来较大的计算成本，甚至容易造成优化失败。
[0005] 现有的开口加筋柱壳结构的局部补强设计往往依赖过度有限元分析，设计及优化 过程中需要多次调用精细有限元分析，优化效率十分低下。该领域虽然已开展了大量工作， 但仍未给出一种适合轴压加筋柱壳的高效开口补强方法。
【发明内容】
[0006] 本发明主要解决现有技术的轴压加筋柱壳的开口补强设计的结构效率较低、优化 设计的计算成本较大的技术问题，提出一种轴压加筋柱壳的开口补强方法，W达到提高局 部开口补强设计的结构效率、降低优化设计的计算成本的目的。
[0007] 本发明提供了一种轴压加筋柱壳的开口补强方法，所述轴压加筋柱壳的开口补强 方法包括：
[000引步骤100,对含开口的轴压加筋柱壳划分远口区和近口区，包括W下子步骤：
[0009] 步骤101，利用特征值屈曲分析，获得轴压加筋柱壳的前n阶屈曲模态；
[0010] 步骤102,在前n阶屈曲模态中筛选满足筛选条件的前m阶局部屈曲模态，进而将 前m阶局部屈曲模态叠加形成混合模态形状，其中，筛选条件为：屈曲变形大于屈曲变形阔 值的区域面积小于等于壳体总面积1/a，a取2至4 ;
[0011] 步骤103,根据形成的混合模态形状，将屈曲变形超过屈曲变形阔值的区域划分为 近口区，其余区域为远口区；
[0012] 步骤200,在远口区建立等效刚度模型，在近口区建立精细几何模型，并获得轴压 加筋柱壳的混合分析模型；
[0013] 步骤201，建立基于均匀化理论或渐进均匀化理论的轴压加筋柱壳结构的等效刚 度模型，将远口区的轴压加筋柱壳等效为各向异性或各向同性光壳；
[0014] 步骤202,基于由非均匀有理B样条曲线描述的曲筋，在近口区建立精细几何模 型；
[0015] 步骤203,设定近口区和远口区的连接关系，得到含开口的轴压加筋柱壳的轴压承 载能力混合分析模型；
[0016] 步骤300,对轴压加筋柱壳进行开口补强优化，并对最优结果进行校验。
[0017] 优选的，步骤300中，对轴压加筋柱壳进行开口补强优化，并对最优结果进行校 验，包括W下子步骤：
[001引步骤301，第一层优化中，利用代理模型结合全局优化方法，将筋条厚度、筋条高 度、轴向筋条数量和布局、环向筋条数量和布局W及铺层角之一或其组合作为设计变量，将 轴压加筋柱壳结构的轴压承载力作为目标函数，将结构重量和/或结构制造成本作为约束 条件，对轴压加筋柱壳结构进行优化设计，得到满足约束条件的最优设计，其中，轴向筋条 的布局采用由单一控制变量描述的布局函数确定；
[0019] 步骤302,第二层优化中，基于第一层最优设计，将筋条厚度、筋条高度、轴向筋条 数量和环向筋条数量固定，利用梯度类局部优化方法，将每个曲筋的控制点坐标作为设计 变量，将轴压加筋柱壳结构的轴压承载力作为目标函数，将结构重量和/或结构制造成本 作为约束条件，对轴压加筋柱壳结构进行优化设计，得到满足约束条件的最优结果；
[0020] 步骤303,利用精细有限元分析，对最优结果进行校验。
[0021] 优选的，所述代理模型包括；响应面模型、kriging模型或径向基函数模型，所述 全局优化方法包括；粒子群算法、遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、禁忌捜索算法或免疫 算法。
[0022] 优选的，所述梯度类局部优化方法包括；最速下降法、可行方向法、单纯形法、序列 线性规划法或序列二次规划法。
[0023] 优选的，通过W下公式来表示轴向筋条的布局函数：
[0024]
【主权项】
1. 一种轴压加筋柱壳的开口补强方法，其特征在于，所述轴压加筋柱壳的开口补强方 法包括： 步骤100,对含开口的轴压加筋柱壳划分远口区和近口区，包括以下子步骤： 步骤101，利用特征值屈曲分析，获得轴压加筋柱壳的前η阶屈曲模态； 步骤102,在前η阶屈曲模态中筛选满足筛选条件的前m阶局部屈曲模态，进而将前m 阶局部屈曲模态叠加形成混合模态形状，其中，筛选条件为：屈曲变形大于屈曲变形阈值的 区域面积小于等于壳体总面积1/a，a取2至4 ; 步骤103,根据形成的混合模态形状，将屈曲变形超过屈曲变形阈值的区域划分为近口 区，其余区域为远口区； 步骤200,在远口区建立等效刚度模型，在近口区建立精细几何模型，并获得轴压加筋 柱壳的混合分析模型； 步骤201，建立基于均匀化理论或渐进均匀化理论的轴压加筋柱壳结构的等效刚度模 型，将远口区的轴压加筋柱壳等效为各向异性或各向同性光壳； 步骤202,基于由非均匀有理B样条曲线描述的曲筋，在近口区建立精细几何模型； 步骤203,设定近口区和远口区的连接关系，得到含开口的轴压加筋柱壳的轴压承载能 力混合分析模型； 步骤300,对轴压加筋柱壳进行开口补强优化，并对最优结果进行校验。
2. 根据权利要求1所述的轴压加筋柱壳的开口补强方法，其特征在于，步骤300中，对 轴压加筋柱壳进行开口补强优化，并对最优结果进行校验，包括以下子步骤： 步骤301，第一层优化中，利用代理模型结合全局优化方法，将筋条厚度、筋条高度、轴 向筋条数量和布局、环向筋条数量和布局以及铺层角之一或其组合作为设计变量，将轴压 加筋柱壳结构的轴压承载力作为目标函数，将结构重量和/或结构制造成本作为约束条 件，对轴压加筋柱壳结构进行优化设计，得到满足约束条件的最优设计，其中，轴向筋条的 布局采用由单一控制变量描述的布局函数确定； 步骤302,第二层优化中，基于第一层最优设计，将筋条厚度、筋条高度、轴向筋条数量 和环向筋条数量固定，利用梯度类局部优化方法，将每个曲筋的控制点坐标作为设计变量， 将轴压加筋柱壳结构的轴压承载力作为目标函数，将结构重量和/或结构制造成本作为约 束条件，对轴压加筋柱壳结构进行优化设计，得到满足约束条件的最优结果； 步骤303,利用精细有限元分析，对最优结果进行校验。
3. 根据权利要求2所述的轴压加筋柱壳的开口补强方法，其特征在于，所述代理模型 包括：响应面模型、kriging模型或径向基函数模型，所述全局优化方法包括：粒子群算法、 遗传算法、模拟退火算法、蚁群算法、禁忌搜索算法或免疫算法。
4. 根据权利要求2所述的轴压加筋柱壳的开口补强方法，其特征在于，所述梯度类局 部优化方法包括：最速下降法、可行方向法、单纯形法、序列线性规划法或序列二次规划法。
5. 根据权利要求2所述的轴压加筋柱壳的开口补强方法，其特征在于，通过以下公式 来表不轴向筋条的布局函数：
其中，Ci表示第一个筋条与第i个筋条之间的距离，λ表示筋条布局系数，N表示筋条 数量，Ld表不第一个筋条与最后一个筋条之间的距离。
【专利摘要】本发明涉及航空航天结构主承力构件设计领域，提供一种轴压加筋柱壳的开口补强方法，所述轴压加筋柱壳的开口补强方法包括：步骤100，对含开口的轴压加筋柱壳划分远口区和近口区；步骤200，在远口区建立等效刚度模型，在近口区建立精细几何模型，并获得轴压加筋柱壳的混合分析模型；步骤300，对轴压加筋柱壳进行开口补强优化，并对最优结果进行校验。本发明能够提高轴压加筋柱壳的开口补强效率、降低计算成本。
【IPC分类】G06F17-50
【公开号】CN104866673
【申请号】CN201510279783
【发明人】郝鹏, 王博, 田阔, 李刚, 杜凯繁, 牛飞, 莫怡华, 周春晓
【申请人】大连理工大学
【公开日】2015年8月26日
【申请日】2015年5月28日