[发明专利]一种轴压加筋柱壳的开口补强方法

说明书

技术领域

本发明涉及航空航天结构主承力构件设计技术领域，尤其涉及一种轴压加筋柱壳的开口补强方法。

背景技术

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。这一方面由于现有“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，以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。

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这种不规则布局的筋条加工成型成为可能。对于金属材料，采用数控机械铣切、3-D打印、电子束无模成形等技术即可完成加工制造。NASA兰利研究中心基于电子束无模成形技术，制造了曲筋平板的铝合金样件，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。

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，以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，这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。

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

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，以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。

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：

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n阶屈曲模态；

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；