技术领域本发明涉及一种轴压筒壳结构承载力折减系数的确定方法，属于结构力学分析技术领域，涉及一种基于精确可靠的现代数值计算技术来给出轴压筒壳结构承载力折减系数的方法，特别适合于对航天大型薄壁筒壳结构的轻重量设计技术领域，比如火箭的外壳结构、卫星的主承力筒；大型薄壁筒壳结构的半径一般大于2m，高度大于2m，半径/厚度＝400-1000。
背景技术：
薄壁筒壳结构具有高的比强度和比刚度性能，并作为主要承力部件被广泛应用于轻重量的航天工程结构系统中，如运载火箭的承力外壳和卫星的主承力筒等。薄壁结构的承载能力往往由其屈曲承载能力所决定，并且其屈曲承载能力对缺陷的敏感度极高。结构缺陷的存在可能使筒壳的极限承载能力较无缺陷情况下的理想值下降5％-40％，并且呈现出很大的随机性。因此，为保证筒壳结构的使用安全，通常会在结构设计中引入一个小于1的折减系数。筒壳结构的真实承载力应当等于其在无缺陷理想情况下计算得到的承载能力乘上相应的折减系数。1965年NASA基于当时所搜集的筒壳结构稳定性试验数据提出了著名的、后来在工程中被广为应用的SP-8007结构稳定性设计手册。但在那个年代由于计算机计算能力的限制，SP-8007设计手册中承载力折减系数的提出完全是基于当时的试验数据。从1965年至今，结构件生产加工以及试验的技术得到了突飞猛进的发展。近几年许多学者已经发现采用NASASP-8007手册所设计的结构过于保守，没有充分挖掘结构的承载能力从而减轻结构重量。2012年欧盟项目DESICOS将原有NASA手册中给出的单个承载力折减系数变成两个，分别考虑了几何缺陷和其余若干缺陷的影响。但该项目没有考虑载荷缺陷以及结构开孔对承载能力的影响，而这两类缺陷在实际工程结构设计中往往又是非常常见的。国内专利(CN201310113723)基于枚举法、遗传算法、代理模型等优化技术，寻找限定缺陷幅度的最不利多点扰动载荷，从而确定轴压筒壳结构承载力的折减系数。但该方法在筒壳结构缺陷分析中仅考虑了几何形状缺陷的影响，所获得的折减系数的可靠性差。概括而言，当前确定筒壳结构承载力折减系数的方法在可靠性上仍然存在一些问题。本专利正是在充分考虑筒壳结构各种可能的缺陷形式的基础上，借助精确可靠的现代数值计算技术所提出的新方法。
技术实现要素：
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种轴压筒壳结构承载力折减系数及其确定方法。本发明的技术解决方案是：一种轴压筒壳结构承载力折减系数，该承载力折减系数k包括几何形状缺陷折减系数k1，该承载力折减系数k还包括载荷缺陷折减系数k2、开孔缺陷折减系数k3和属性缺陷折减系数k4，所述的属性缺陷折减系数k4包括材料缺陷引起的折减系数和厚度缺陷引起的折减系数。所述的承载力折减系数k＝f(k1,k2,k3,k4)，优选k＝k1×k2×k3×k4。所述的几何形状缺陷折减系数k1的确定方法为：采用扰动载荷在筒壳表面产生缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_扰动力，F1_几何_扰动力与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1。所述的几何形状缺陷折减系数k1的确定方法还可以为：采用激光扫描筒壳表面获得的坐标数据来模拟几何形状缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_测量值，F1_几何_测量值与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1。所述的几何形状缺陷折减系数k1的确定方法还可以为：采用扰动载荷在筒壳表面产生缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_扰动力，F1_几何_扰动力与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1_扰动力；采用激光扫描筒壳表面获得的坐标数据来模拟几何形状缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_测量值，F1_几何_测量值与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1_测量值，将k1_扰动力和k1_测量值进行加权平均可得最终的所述的载荷缺陷折减系数k2的确定方法为：当轴向压载荷所产生的偏心角θ增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_载荷，F1_载荷与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k2。定义对于理想均匀轴压载荷时，作用于筒壳受载端面上的各载荷的初始点连线与水平面平行，则对于含缺陷的轴压载荷时，作用于筒壳受载端面上的各载荷的初始点连线与水平面之间的夹角为偏心角θ。所述的开孔缺陷折减系数k3的确定方法为：当开孔的直径增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_开孔，F1_开孔与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为属性缺陷折减系数k4的确定方法为：首先假定轴压筒壳的材料的弹性模量以及轴压筒壳的厚度不再是某一个确定值，而是一组服从正态分布的值，不同的弹性模量值和不同厚度值对应着不同的含缺陷筒壳模型，对不同的弹性模量值和不同厚度值对性的筒壳模型进行分析得到一组服从正太分布的承载力值，赋予不低于99％的置信度后获得筒壳结构在属性缺陷影响下的承载能力的下限值F99％，F99％与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k4。所述的无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的确定方法为：采用有限元数值算法对无缺陷理想筒壳结构进行屈曲特征值分析，得到无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect。一种轴压筒壳结构承载力折减系数的确定方法，步骤为：(1)采用有限元数值算法对无缺陷理想筒壳结构进行屈曲特征值分析，得到无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect；(2)确定几何形状缺陷折减系数k1；(3)确定载荷缺陷折减系数k2；(4)确定开孔缺陷折减系数k3；(5)确定属性缺陷折减系数k4；(6)根据步骤(2)-步骤(5)得到的系数进行组合得到轴压筒壳结构承载力折减系数k，形式如下：k＝f(k1,k2,k3,k4)。优选k＝k1×k2×k3×k4。本发明与现有技术相比的优点在于：(1)当前设计筒壳结构普遍采用NASASP-8007手册所提供的承载力折减系数，该折减系数的给出完全是基于四、五十年前所搜集到的大量试验数据。随着生产加工和试验技术的飞速发展，NASA的折减系数过于保守。本发明基于数值计算技术，采用结构确定性分析和可靠性分析来获得既安全可靠又不偏保守的新的折减系数；(2)现有技术中基于数值计算技术来给出承载力折减系数的方法在分析中普遍存在对结构缺陷的影响考虑不周或不合理的情况。为合理充分的考虑各种不同缺陷形式对承载能力的影响，本发明采用结构确定性分析来分别获得对承载能力影响较为明显的几何形状缺陷、载荷缺陷以及开孔缺陷所对应的折减系数。然后基于结构可靠性分析来获得对承载能力影响较为明显的属性缺陷的影响并获得相应的折减系数。最后将这四个独立的折减系数组合起来获得一个新的安全鲁棒的折减系数；(3)本发明将实际工程筒壳结构中常遇到的载荷和开孔缺陷单独考虑并形成独立的折减系数，即确保了结构设计的安全可靠性又便于工程设计的直接应用。在结构可靠性分析中，本发明采用Koiter-Newton算法来提高大样本结构非线性分析的计算效率，从而缩短本发明所提出方法的实现周期；(4)本发明中的几何形状缺陷、载荷缺陷以及开孔缺陷是对筒壳结构承载能力影响最为严重的三种缺陷形式。在结构确定性分析中发现这三种缺陷形式均具有随缺陷增大结构承载能力趋于不变的特点。基于该趋于不变的承载力值，获得相应的三个各自独立的承载力折减系数；(5)本发明针对属性缺陷，如材料缺陷、厚度缺陷等，采用基于蒙特卡洛法的结构可靠性分析。假定这些缺陷满足某种特定的分布形式，即可形成大样本的含缺陷筒壳结构。对这些样本进行分析可得承载能力的一个具体分布。通过设定99％的置信度可得到承载能力的下限值，从而获得相应的折减系数；(6)本发明将四个折减系数相乘，从而得到新的组合的筒壳结构承载力折减系数。该系数的给出充分并合理地考虑了各种对承载力影响大小不同的缺陷形式，在保证轴压筒壳结构使用安全的基础上充分挖掘其承载能力，继而实现结构减重；(7)本发明针对不同缺陷形式对承载力的影响大小不同，采用不同的结构分析方法来获得相应的折减系数。对承载力影响较大的缺陷采用结构确定性分析，反之则采用结构可靠性分析；(8)一种轴压筒壳结构承载力折减系数的确定方法，该方法首先通过结构确定性分析、考虑对筒壳承载力影响较大的几何形状缺陷、载荷缺陷以及开孔缺陷，给出相应的三个承载力折减系数；然后采用结构可靠性分析得到属性缺陷，在一定的置信度下获得相应的承载力折减系数；最后将获得的四个系数组合成一个新的鲁棒的折减系数。该新的折减系数充分并合理地顾及了实际工程应用中的各种缺陷形式对筒壳承载能力的影响。本发明最大的创新之处是解决了传统的NASASP-8007筒壳设计手册所给出的承载力折减系数过于保守的问题，所给出的组合折减系数能够在确保结构使用安全的基础上进一步减轻结构重量。附图说明图1为本发明的折减系数组成示意图；图2为带有几何形状缺陷的轴压筒壳结构示意图；图3为带有载荷缺陷的轴压筒壳结构示意图；图4为带有开孔缺陷的轴压筒壳结构示意图；图5为几何缺陷影响下结构确定性分析示意图；图6为属性缺陷影响下结构可靠性分析示意图；图7为对轴压筒壳结构的承载力分别采用NASA预测方法、欧盟预测方法、本发明的方法以及实验方法的对比结果示意图。具体实施方式一种轴压筒壳结构承载力折减系数的确定方法，步骤为：(1)采用有限元数值分析技术计算无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect；(2)几何形状缺陷对筒壳承载力的影响大，采用扰动载荷在筒壳表面产生的凹陷或激光扫描筒壳表面获得的坐标数据来模拟几何形状缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力基本保持恒定，由此可计算获得考虑几何形状缺陷的承载力折减系数k1；(3)真实航天工程结构常具有载荷缺陷和开孔缺陷，这两类缺陷对筒壳结构的影响也大，在结构确定性分析中获得随缺陷增大承载力基本保持恒定时的值，由此可分别计算得到考虑载荷缺陷和开孔缺陷的承载力折减系数k2和k3；(4)属性缺陷，如材料缺陷、厚度缺陷等，将这些缺陷的特征参数假设成某种特定分布，由此形成10000个含缺陷的筒壳模型样本，计算这些样本即获得承载力的分布，判断承载力分布的类型并计算其置信度为99％的置信下限，最后用该置信下限所对应的承载力值计算相应的承载力折减系数k4；(5)步骤4)中的结构可靠性分析需要对大量含缺陷的筒壳样本进行结构非线性分析，采用Koiter-Newton算法来提高单个筒壳模型非线性分析的计算效率，从而缩短整个结构可靠性分析的周期；(6)为综合考虑各种缺陷形式对筒壳承载力的影响，将步骤2)～5)所得到的承载力折减系数进行组合得到新的折减系数k，形式如下：k＝f(k1,k2,k3,k4)其中：函数f优选k＝k1×k2×k3×k4；(7)该筒壳结构的设计承载能力F为：F＝Fperfect×k其中：Fperfect为无缺陷理想筒壳结构的承载能力；(8)对于给定的筒壳结构，依次进行步骤(1)～(7)即可获得相应的承载力折减系数和设计承载能力。如图3所示，所述的偏心角θ定义如下：假设箭头的长度代表轴压载荷的大小，对于理想均匀压载荷其侧视图中各载荷箭头的初始点连线与水平面平行，而对于含缺陷的载荷其箭头的初始点连线与水平面存在夹角θ，θ即为载荷缺陷的偏心角。所述的属性缺陷折减系数k4是指结构的其余模型参数，如材料常数、厚度，由于存在缺陷而所引起的折减系数。属性缺陷折减系数k4的确定方法为：首先认为结构的某些模型参数(如材料常数)不再是某一个确定值，而是一组服从正态分布的值，不同值对应着不同的含缺陷筒壳模型。对这些筒壳模型进行分析可得到一组也服从正太分布的承载力值，赋予99％的置信度即可获得结构在属性缺陷影响下的承载能力的下限值F99％，F99％与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k4。该新的承载力折减系数k由四部分组合而成，分别考虑了不同的缺陷形式，其具体组合方式为：k＝f(k1,k2,k3,k4)其中：k1、k2、k3、k4分别为考虑不同缺陷形式所获得的承载力折减系数。函数f优选k＝k1×k2×k3×k4。实施例如图1所示，一种轴压筒壳结构承载力折减系数，该承载力折减系数k包括几何形状缺陷折减系数k1，该承载力折减系数k还包括载荷缺陷折减系数k2、开孔缺陷折减系数k3和属性缺陷折减系数k4，所述的属性缺陷折减系数k4包括材料缺陷引起的折减系数和厚度缺陷引起的折减系数。所述的承载力折减系数k＝k1×k2×k3×k4。一种轴压筒壳结构承载力折减系数的确定方法，步骤如下：(1)采用有限元数值算法对无缺陷理想筒壳结构进行屈曲特征值分析，获得其理想的极限承载能力Fperfect；(2)几何形状缺陷是指由于加工制造等技术条件限制，筒壳的表面不可能是完美的圆弧光滑曲面，如图2、图3和图4所示。本发明分别采用单载荷扰动法和真实测量的几何缺陷来模拟几何形状缺陷并进行结构确定性分析。筒壳的承载能力一开始随着几何缺陷幅度的增大而减小，但其随后又会逐渐趋于平缓，承载能力变化曲线如图5所示；1)采用单载荷扰动法来模拟几何形状缺陷。垂直筒壳侧表面施加一个小的集中载荷作为扰动，用由此产生的凹陷来模拟几何形状缺陷。控制扰动载荷的大小即可调节几何形状缺陷的幅度，在每个固定的缺陷幅度下通过结构非线性分析可获得结构的承载能力。如图5所示，当扰动载荷值大于a值时，结构承载力变化很小，几乎稳定为值F1_几何_扰动力。由此可获得相应的结构承载力折减系数为：2)采用真实测量的几何形状缺陷。筒壳结构的真实几何形状缺陷是可以通过激光扫描技术测量出来的，在其表面应该是不规则的凹凸分布，如图2中所示。利用现有的筒壳几何形状缺陷数据库，采用1)中的方法，同样可获得相应的承载力折减系数为：其中：F1_几何_测量值为随着测量缺陷幅度的增大，筒壳承载力趋于不变后的值。3)综合给出考虑几何缺陷对筒壳承载力影响的折减系数。将分别采用扰动载荷法和真实测量的几何形状缺陷所获得的承载力折减系数(1)和(2)进行加权平均，即可得到一个充分考虑了几何形状缺陷影响的鲁棒的折减系数k1：(3)载荷缺陷主要是指由轴向压载荷偏心所造成的缺陷形式，如图3所示，其大小由偏心角θ控制。载荷缺陷的存在会使轴向受压筒壳产生附加弯矩，从而影响承载性能。研究表明，载荷缺陷增大到一定值后，筒壳承载力的变化趋于平缓，承载力变化曲线趋势与图5一致。采用1)中的方法，可获得相应的承载力折减系数为：其中：F1_载荷为随着载荷缺陷的增大，筒壳承载力趋于不变后的值。(4)开孔缺陷是指工程结构中的筒壳由于各种使用功能的需要往往存在开孔(如图4)，而开孔的存在将会影响结构的承载能力。研究表明，开孔缺陷增大到一定值后，筒壳承载力的变化趋于平缓，同样其趋势与图5一致。采用1)中的方法，可获得相应的承载力折减系数为：其中：F1_开孔为随着载荷缺陷的增大，筒壳承载力趋于不变后的值。(5)除了对筒壳承载力影响较大的几何形状缺陷、载荷缺陷以及开孔缺陷外，本发明将其余各种缺陷形式对承载力的影响通过结构可靠性分析来体现。这些缺陷形式包括材料缺陷以及蒙皮厚度缺陷等等即属性缺陷。如图6所示，在结构可靠性分析中这些缺陷的特征参数，如材料常数和厚度值，不再是某一个特定的值，而是一组服从正态分布的值，然后将它们作为输入会形成一组含缺陷的筒壳模型，对这些样本进行分析即可获得筒壳承载力的分布。判断承载力分布的类型并计算其置信度为99％的置信下限，最后用该置信下限所对应的承载力值计算相应的承载力折减系数为：k4=F99%Fperfeci---(6)]]>其中：F99％为99％置信度所对应的承载力置信下限值。例如：某轴压筒壳结构材料的弹性模量的均值为1000，厚度均值为5，假设弹性模量和厚度均服从正态分布，弹性模量分别为998、999、1000、1002、1003，厚度分别为4.7、4.8、5、5.3、5.4，则弹性模量和厚度随机组合为五组，分别为(998，4.7)、(999，4.8)、(1000，5)、(1002，5.3)、(1003，5.4)；以该五组作为输入条件可获得五个含不同缺陷的轴压筒壳结构模型；结构可靠性分析需要计算大量的含缺陷模型样本，即需要重复进行大规模的结构非线性分析。为了缩短单个分析的时间，本发明采用效率更高的Koiter-Newton降阶算法。整个可靠性分析的计算时间由此能缩短近60％。(6)将以上(2)-(5)步骤中所获得的四个承载力折减系数进行组合，组合方式如下：k＝f(k1,k2,k3,k4)(7)其中：函数f的具体形式如下：k＝k1×k2×k3×k4(8)(7)筒壳结构的设计承载能力F为：F＝Fperfect×k其中：Fperfect为无缺陷理想筒壳结构的承载能力。(8)对于给定的筒壳结构，依次进行步骤(1)～(7)即可获得相应的承载力折减系数和设计承载能力。本实施例中的碳纤维复合材料筒壳结构长度为500mm，端面半径为250mm。复合材料参数如下：纵向弹性模量120GPa、横向弹性模量8.8GPa、泊松比0.31、剪切模量8.2GPa。铺层顺序为[+24°,-24°,+41°,-41°]，单层厚度为0.125mm，筒壳总厚度为0.5mm。该筒壳顶端受均布压载作用，底端简支。该筒壳结构的承载力确定方法如下：1)首先采用有限单元法对该筒壳进行线性屈曲特征值分析，得到其在理想无缺陷状态下的极限承载能力为Fperfect＝32kN。2)然后采用结构确定性分析计算几何形状缺陷所对应的承载力折减系数k1。首先采用作用在筒1/2高度并与筒壳表面垂直的扰动力来模拟几何形状缺陷，逐渐增大扰动力值来依次计算对应的承载力，发现当扰动力值大于5N时承载力值几乎维持不变，大小为F1_几何_扰动力＝23.168N，F1_几何_扰动力与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1_扰动力＝0.724；然后采用激光扫描筒壳表面获得的坐标数据来模拟几何形状缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_测量值＝21.6N，F1_几何_测量值与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1_测量值＝0.675；最后做加权平均可得最终的3)接下来采用结构确定性分析计算载荷缺陷折减系数k2。当轴向压载荷所产生的偏心角θ增大超过1.2度时，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_载荷＝25.68N，F1_载荷与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k2＝0.7。4)继续采用结构确定性分析计算开孔缺陷折减系数k3。此时分两种情况讨论：a)当开孔的直径小于16mm时，筒壳的承载力F1_开孔几乎保持恒定且约等于无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect，F1_开孔与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为无孔或小孔时的折减系数b)逐渐增大开孔直径，当其大于23mm时，筒壳的承载力几乎保持恒定且值为F1_开孔＝25.62N，F1_开孔与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为大孔时的折减系数5)紧接着采用结构可靠性分析计算属性缺陷折减系数k4。这样为结构的某些模型参数(材料常数、厚度)不再是某一个确定值，而是一组(10000个)服从正态分布的值，均值为模型中所给出的初值，变异系数为0.05。正态分布的模型参数对应着一组含缺陷筒壳模型。对这些筒壳模型进行分析可得到一组也服从正太分布的承载力值，赋予99％的置信度即可获得结构在属性缺陷影响下的承载能力的下限值F99％＝25.57N，F99％与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k4＝0.8。6)将以上分析获得的承载力折减系数进行组合，获得新的折减系数为：k＝k1×k2×k3×k4＝0.7×0.8×1×0.8＝0.448(小孔)k＝k1×k2×k3×k4＝0.7×0.8×0.8×0.8＝0.358(大孔)由此可得该筒壳结构的设计承载能力为：F＝Fperfect×k＝32kN×0.448＝14.3kN(小孔)F＝Fperfect×k＝32kN×0.358＝11.5kN(大孔)7)比较分析结果可知：对该筒壳结构，NASASP-8007设计手册给出的承载力折减系数为0.32；欧盟EUFP7项目给出的系数为0.56，与NASA的预测相比能够使筒壳承载能力提升75％，即减重26％；10个筒壳样品的试验结果分布在0.52-0.68之间。将这些数据与本发明给出的折减系数在图7中进行比较如下：NASA的折减系数由于基于过于陈旧的试验数据因而最为保守；欧盟的折减系数有的高于试验点会危及其使用安全，可靠性差，本发明给出的折减系数处于NASA和欧盟的预测数据之间，较NASA的预测能够使承载力提升10％-40％，即减重5％-10％，因而其显得既不偏保守又具有较高的安全可靠性。图7中新的试验结果为2015年采用十个轴压筒壳结构的试验样品进行试验所获得的轴压筒壳结构的承载力试验结果，该方法的具体过程为：在轴压筒壳的一端施加均匀的压缩载荷，当压缩载荷增大的过程中，轴压筒壳在加载端的轴向压缩位移也逐渐增大，当压缩载荷达到某一值时，轴压筒壳在加载端的轴向压缩位移无限增大，压缩载荷无法加载，该某一值即为轴压筒壳的极限承载能力，即试验结果。本发明未公开技术属本领域技术人员公知常识。