一种加筋壁板承载能力计算方法
【专利摘要】本发明一种加筋壁板承载能力计算方法属于航空结构强度分析领域，本发明技术方案是基于轴向压缩载荷作用下蒙皮屈曲有效宽度计算方法，当蒙皮发生屈曲后，在由板梁单元构成的有限元模型中利用修改长桁的截面面积和惯性矩的方式进行刚度缩减，利用各载荷加载步的线性迭代求解方法进行结构的应力分析，并对计算结果中长桁的工作应力与作为破坏标准的基于工程法求解的长桁蒙皮组合结构的许用极限应力进行比较，进而得到结构的承载能力。本方法模型是板梁单元模型，较之传统的全壳体模型，利用线性求解代替了传统方法中耗时多、难收敛的几何非线性和接触等问题的求解，建模耗时少，计算速度快，且对计算机硬件和分析人员专业素养要求低。
【专利说明】一种加筋壁板承载能力计算方法
【技术领域】
[0001]本发明一种加筋壁板承载能力计算方法属于航空结构强度分析领域。
【背景技术】
[0002]文献[A numerical assessment of the buckling/ultimate strengthcharacteristicsof stiffened aluminium plates with fixed/floating transverseframes [J].Thin-Walled Structures, 2009, 47:1373 - 1386.]比较典型的代表了 目前计算加筋壁板后屈曲的方法。该方法是通过建立有限元模型方法来计算的。具体做法是:
[0003]I)结合加筋壁板结构组成及几何特征进行模型构建。蒙皮和筋条采用板壳元(Shellelement)模拟,连接件采用弹簧元(Spring element)模拟；
[0004]2)各部位材料力学性能和载荷边界条件根据同批次材料力学性能试验数据和具体加载情况进行施加；
[0005]3)根据加筋壁板结构线性屈曲模态(linear buckling mode)确定后屈曲分析的初始扰动(Initial imperfections)；
[0006]4)基于非线性迭代求解技术来进行加筋壁板的后屈曲分析，进而确定承载能力。
[0007]然而使用这种方法存在如下缺点:
[0008]I)由于要进行后屈曲分析，加筋壁板需要建立成能够反映细节部位刚度变化的细节有限元模型，建模工作量大，且容易出错；
[0009]2)在加筋壁板模型构建中连接件性能参数的选取与实际装配过程中的性能差别很大，影响了计算结果的可信性；
[0010]3)按照这种方法建立的有限元模型，需要同时考虑几何非线性和接触等非线性问题，导致计算结果收敛困难，计算不易成功。
【发明内容】
[0011]本发明的目的是提供一种能真实反映加载过程中结构刚度变化规律、建模方便、计算速度快的金属加筋壁板后屈曲计算方法。
[0012]本发明的技术方案，一种加筋壁板承载能力计算方法，包括以下步骤1:根据加筋壁板结构建立有限元模型；
[0013]步骤2:结构屈曲的有限元数值求解，利用步骤I中有限元模型结合施加载荷进行结构屈曲求解；
[0014]步骤3:根据结构屈曲模态确定后屈曲初始扰动，基于非线性迭代求解技术来进行加筋壁板的后屈曲分析，进而确定承载能力；
[0015]其特征在于，
[0016]在步骤2中，结构屈曲的有限元数值求解中是利用基于试验数据的工程方法对蒙皮的屈曲应力和长桁蒙皮组合结构的许用极限应力进行的求解；
[0017]在有限元分析中，结合当前载荷情况，对结构进行基于有效宽度方法的刚度折减计算，并利用长桁的截面面积和惯性矩修改的方式来进行刚度缩减；
[0018]通过计算引入刚度减缩后的分析模型，直到按分步载荷施加计算中任意长桁的工作应力达到上述计算得到的长桁蒙皮组合的许用极限应力时，结构达到了破坏临界，统计当前载荷步即为加筋壁板承载能力。
[0019]本发明的有益效果，利用基于试验数据的工程法进行蒙皮屈曲应力和蒙皮筋条组合结构的极限应力的计算，代替了传统的利用板壳细节有限元模型的计算过程，可以通过编程直接求解，方便快捷。而且由于该有限元模型是只包含板梁单元的简单的整体有限元模型，较之传统的全板壳单元的复杂的细节有限元模型，模型构建耗时少，且较少依赖分析人员工程结构建模经验，不容易出错。在计算中，传统的加筋壁板承载能力求解都是在大规模复杂连接的有限元模型的基础上，进行考虑几何非线性、材料非线性和接触等非线性问题的后屈曲求解，计算结果收敛困难，计算不易成功，而且成功的求解很大程度上依赖于工程分析人员的专业素养和经验；而本方法中的利用小规模简单模型的有限次数的线性迭代求解代替了传统的大规模、非线性求解，计算规模小，耗时少，易收敛，且对计算机硬件和分析人员专业素养要求低，大大加速了加筋结构的设计分析进程。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1是本发明方法的计算流程图。
【具体实施方式】
[0021]发明原理:
[0022]在受轴压的加筋结构分析中，对于承受纵向压缩的加筋壁板，当筋间的蒙皮屈曲后，它还有一定的继续承载能力，将其折合为具有一定宽度的板条附于邻近的筋条，并与筋条一起承载直到壁板总体破坏，这种分析方法就是有效宽度法，将有效宽度法的概念应用于有限元分析，就形成了加筋壁板承载能力分析中的基于有效宽度的刚度减缩法。在蒙皮采用板壳元模拟，筋条采用梁元模拟的整体分析模型中，施加给定分步载荷，通过线性计算得出蒙皮应力和长祐1应力，每次计算完成后读取每块蒙皮的工作应力与蒙皮的屈曲应力进行比较，并对发生屈曲蒙皮进行蒙皮有效宽度计算，并据此在下一载荷步分析前去掉该块屈曲的蒙皮，修改对应长桁的截面面积和惯性矩来完成整体结构刚度缩减。作为结构破坏判断标准的长桁蒙皮组合结构的极限应力是利用基于试验数据的工程方法计算得到的。然后针对刚度缩减后的整体有限元模型，利用线性迭代求解方法进行加筋壁板的应力分析，随着载荷的增加，屈曲蒙皮越来越多，修改截面面属性的长桁数量也越多，直到计算结果中任意长桁的工作应力达到长桁蒙皮组合结构的极限应力时，结构达到了破坏临界，统计当前载荷步即为加筋壁板的承载能力。
[0023]下面结合图1对本发明进行详细描述:
[0024]步骤1:结构的有限元模型建立
[0025]结合加筋壁板结构组成及几何特征进行整体分析模型的构建。其中蒙皮采用板壳元(Shell element)模拟,筋条采用梁元(Beam element)模拟,连接件不考虑；
[0026]步骤2:蒙皮的屈曲应力和长桁蒙皮组合的许用极限应力
[0027]基于程序语言编程的计算程序进行蒙皮的屈曲应力和长桁蒙皮组合的许用极限应力的计算。其中蒙皮的屈曲应力采用基于试验数据的欧拉(Eular)公式进行求解，长桁蒙皮组合结构许用极限应力采用“板元法”进行求解；
[0028]步骤3:施加给定分步载荷，结合计算结果进行蒙皮屈曲判断
[0029]利用建立的有限元模型，基于程序施加给定分步载荷，通过线性计算得出蒙皮应力和长桁应力。其中施加的载荷从总载荷的1%开始，载荷增量步为1%，每次计算完成后读取每块蒙皮的工作应力与蒙皮的屈曲应力进行比较，判断蒙皮是否发生，若发生屈曲则转入步骤4，否则增加载荷步，重复此步骤的求解；
[0030]步骤4:模型刚度缩减
[0031]先对发生屈曲蒙皮进行蒙皮有效宽度计算，然后在模型中将对应蒙皮单兀删除，根据计算得到的屈曲蒙皮的有效宽度，将有效宽度尺寸的蒙皮折合在与蒙皮相邻的两侧长桁上并计算出该组合结构的截面面积和惯性矩，通过修改长桁的截面面积和惯性矩来进行刚度缩减；
[0032]步骤5:结构破坏判断及承载能力确定
[0033]针对引入刚度减缩后的分析模型计算，施加给定分步载荷，进行加筋结构的整体应力求解，读取分析结果中每个长桁的工作应力，并与作为结构破坏判断标准的长桁蒙皮组合结构的极限应力进行比较。若某一长桁工作应力达到判断标准，则表示结构处于破坏临界，此时施加的分布载荷即为结构的承载能力，若任一长桁工作应力均未达到判断标准，则重复步骤3、步骤4中的蒙皮应力求解、屈曲判断、有效宽度计算和模型刚度缩减，然后再进行步骤5中的模型应力求解、长桁工作应力读取和结构破坏判断，直到结构中某一长桁处于破坏临界，进而得到结构的承载能力。
[0034]具体的实施例中，计算所在的工作平台为MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN,步骤如下:
[0035](I)结合加筋结构组成及几何特征，根据航空结构整体应力分析建模方法，对蒙皮采用板壳元模拟、筋条采用梁元模拟以及不考虑连接件建立结构的整体分析模型，其中网格划分方面以各部件理论图为基础进行，每个长桁单元应分别赋予几何属性即截面面积和惯性矩；
[0036](2)根据结构具体几何尺寸和材料特性，利用欧拉公式进行蒙皮的屈曲应力的求解，利用“板元法”进行长桁与有效宽度蒙皮组合结构的许用极限应力的求解，同时给定蒙皮与长桁之间的位置连接关系即与某块蒙皮相连两根长桁的单元编号(如10 100 11，其中100表示蒙皮的单元编号，10代表从蒙皮外表面方向看与蒙皮连接的左长桁单元编号，11代表与蒙皮连接的右长桁单元编号);
[0037](3)施加给定分步载荷,修改结构有限元模型文件*.bdf.1 (如model, bdf.1)中载荷值，然后调用NASTRAN进行结构求解，通过读取当前生成的结果文件*.f06.1 (如model.f06.1)得到所有蒙皮的工作应力，保留该步*.bdf.1、*.f06.1、*.xdb.1文件(如model,bdf.Umodel.f06.Umodel.xdb.1)。如果总外载F,完全模拟真实物理试验时的加载步进行加载，按下列加载步进行:0.05F，0.10F，0.15F，0.20F，0.25F，0.30F，0.35F，0.40F，0.45F,0.50F，0.55F，0.60F，0. 65F，0.67F，0.70F，0.72F，0.74F，0.76F，0.78F，0.80F，0.82F,0.84F，0.86F，0.88F，0.90F，0.91F，0.92F，0.93F，0.94F，0.95F，0.96F，0.97F，0.98F,0.99F,1.0F,1.01F,……，直到破坏；
[0038](4)通过比较蒙皮工作应力和步骤(2)中计算得到的对应的蒙皮屈曲应力，判断蒙皮是否发生屈曲，如果没有蒙皮发生屈曲，则进行下一步加载，跳入第3步进行求解，如果有蒙皮发生屈曲，进入步骤(5)；
[0039](5)根据航空结构强度中常见的各种有效宽度计算公式进行屈曲蒙皮的有效宽度求解，这里米用 Bruhn 在 1973 年的 Analysis and Design of Flight Vehicle Structures报告中推荐的公式进行计算，再计算出与屈曲蒙皮临近长桁与有效宽度蒙皮构成的组合结构的截面面积和惯性矩，然后在步骤(3)所生成的模型文件*.bdf.1中，通过去掉屈曲蒙皮单元以及修改与屈曲蒙皮相连接长桁的对应截面面积和惯性矩(如在*.bdf.1文件中进行对应长桁单元属性定义行的面积和惯性矩参数的修改)进行模型的刚度缩减，调用NASTRAN进行结构求解，通过读取当前步骤生成的结果文件*.f06.1得到长桁应力，保留
[0040](6)读取步骤(5)中分析结果*.f06.1中每个长桁的工作应力，并与作为结构破坏判断标准的长桁蒙皮组合结构的极限应力进行比较。若某一长桁工作应力达到判断标准，则表示此时施加的分布载荷即为结构的承载能力，若任一长桁工作应力均未达到判断标准，则重复步骤(3)、步骤(4)中的蒙皮应力求解和屈曲判断，然后再进行步骤(5)中的有效宽度求解、模型刚度缩减、模型应力求解、长桁工作应力读取和结构破坏判断，直到结构中某一长桁处于破坏临界，进而得到结构的承载能力；
[0041](7)统计当前载荷步(如0.86F)，即可知当前载荷步0.86F即为结构的承载能力。
【权利要求】
1.一种加筋壁板承载能力计算方法， 包括以下步骤1:根据加筋壁板结构建立有限元模型； 步骤2:结构屈曲的有限元数值求解，利用步骤I中有限元模型结合施加载荷进行结构屈曲求解； 步骤3:根据结构屈曲模态确定后屈曲初始扰动，基于非线性迭代求解技术来进行加筋壁板的后屈曲分析，进而确定承载能力； 其特征在于， 在步骤2中，结构屈曲的数值求解中是利用基于试验数据的工程方法对蒙皮的屈曲应力和长桁蒙皮组合结构的许用极限应力进行的求解； 在有限元分析中，结合当前载荷情况，对结构进行基于有效宽度方法的刚度折减计算，并利用修改长桁的截面面积和惯性矩的方式来进行刚度缩减； 通过计算引入刚度减缩后的分析模型，直到按分步载荷施加计算中任意长桁的工作应力达到上述计算得到的长桁蒙皮组合的许用极限应力时，结构达到了破坏临界，统计当前载荷步即为加筋壁板承载能力。
【文档编号】G06F17/50GK103870613SQ201210528288
【公开日】2014年6月18日 申请日期:2012年12月10日 优先权日:2012年12月10日
【发明者】张国凡, 吴存利, 张倩, 段世慧 申请人:中国飞机强度研究所