[发明专利]一种考虑形位公差的薄壁筒壳结构折减因子预测方法

说明书

一种考虑形位公差的薄壁筒壳结构折减因子预测方法，步骤：1)获取结构构型参数与结构缺陷敏感性特征信息；2)结合结构缺陷特征信息，采用非完全折减刚度法针对此结构确定膜刚度折减策略；3)基于膜刚度折减策略，建立不完全折减刚度线性屈曲系统；4)利用完成的不完善刚度折减模型，对不同缺陷幅值下的最不利缺陷分布与对应的折减因子进行分析,获得一条缺陷幅值‑最不利折减因子曲线。本方法通过搜索不同几何缺陷幅值约束下的最不利缺陷分布形式，获得给定形位公差下的折减因子下限，采用基于不完全刚度折减刚度模型对整个分析过程进行加速；为航天领域薄壁结构提供考虑行为偏差指标的折减因子设计准则，通过减少不必要的安全裕度，实现航天结构的进一步减重。

技术领域

本发明属于航空航天结构主承力薄壁构件分析设计技术领域，涉及一种考虑形位公差的薄壁筒壳结构折减因子预测方法。

背景技术

薄壁筒壳结构由于具有高比刚度、比强度等特性，常常被应用于运载火箭、导弹等航空航天的关键主承力部件结构中。在运载火箭中，薄壳结构主要承受火箭发射时过载导致上下级部段的反作用力。故其主要服役工况为轴向压缩载荷，主要失效模式为屈曲失稳。因此，轴向压缩屈曲承载力为航天领域薄壳结构的主要设计指标之一。然而，大量薄壁结构屈曲试验结果表明，薄壁结构的理论屈曲载荷与试验结果之间往往存在较大差异。这种差异一般使用一个无量纲系数——折减因子表示，该系数定义为薄壁结构屈曲试验结果与理论屈曲载荷的比值。研究发现，差异的主要原因是在制造、运输、装配等过程中产生的缺陷导致的，其中几何缺陷对筒壳极限承载能力的影响最大。几何缺陷定义为真实结构与完美模型几何形貌的偏离，在实际工程结构中反映为形位公差。对于筒壳结构，形位公差具体包括平面度、圆度、圆柱度、面轮廓度等等，表示实际结构对理想结构所允许的最大变动量。对于航天薄壁筒壳结构，预测一个安全可靠又不过与保守的高精度折减因子，能够为其实现进一步减重20％，因此建立一种能够考虑航天薄壁筒壳结构制造形位公差的折减因子预测方法，在结构设计过程中，通过缺陷敏感性分析预估一个具有高精度的、合理的折减因子，对于运载火箭等航天装备至关重要。

自20世纪50年代，研究人员已经对具有不同径厚比的各种薄壁筒壳结构开展大量试验，并且基于试验结果给出了经验性的折减因子设计规范，对轴压筒壳结构设计提供指导。例如针对圆柱壳的折减因子设计指南NASA SP-8007根据大量试验结果的下包络线给出了一条轴压屈曲折减因子经验公式，只需要结构蒙皮厚度与半径的比值便可以给出一个折减因子的下限参考值，至今仍在广泛应用。随着制造工艺水平的不断提高，薄壁结构的形位公差不断降低，这也使得现代薄壁结构屈曲试验结果的折减因子往往高于基于早年试验结果获得的折减因子参考值。例如一个采用现代铸造、机铣一体成型制造工艺加工的薄壁筒壳，其试验结果的折减因子为0.886，但NASA SP-8007给出的折减因子参考值为0.386。因此，如果继续沿用几十年前制定的折减因子设计准则，往往会使结构设计过于保守，无法充分发挥结构的承载效率，致使结构严重超重，这同我国新一代运载火箭等航天结构轻质高承载的设计要求是矛盾的。因此亟需建立一套能够适用于不同加工制造工艺，考虑形位公差的薄壁筒壳结构高精度折减因子预测方法。

发明内容

本发明主要解决现有技术中，针对薄壁筒壳结构的缺陷敏感性分析方法所预测的折减因子过于保守，而导致航天主承力结构严重超重的问题。提出一种考虑形位公差的薄壁筒壳结构折减因子预测方法。针对薄壁筒壳最为常见并且极为敏感的几何缺陷，通过搜索不同几何缺陷幅值约束下的最不利缺陷分布形式，获得给定形位公差下的折减因子下限，获得不同形位公差下的折减因子设计规范。以在设计过程中，基于物理模型为航天主承力薄壳结构预测一个安全可靠、又不过于保守的折减因子，通过减少传统设计中不必要的安全裕度，实现航天结构的进一步减重。另外，为了减少最不利缺陷搜索过程中多次重复非线性后屈曲分析所带来的高计算成本，本发明基于筒壳结构几何缺陷数据库，通过建立筒壳结构膜刚度和几何缺陷的函数关系，在线性屈曲分析框架下建立一种不完全刚度折减的筒壳屈曲模型，实现了含缺陷非完善筒壳结构的承载力快速计算。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：