超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法.pdf

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1、航空学报ActaAeronauticaetAstronauticaSinicaFeb252017Vol38No．2SSN1000．6893CN11—1929／Vhttp：／／hkxb．buaaedu．cahkxb@buaaeducn超大直径网格加筋筒壳快速屈曲分析方法王博，田阔，郑岩冰，郝鹏*，张可大连理工大学工程力学系工业装备结构分析国家重点实验室，大连116024摘要：针对新一代重型运载火箭及大型飞机中存在的超大直径网格加筋壳结构，提出了一种快速屈曲分析方法。首先，基于渐进均匀化法的快速数值实现方法和瑞利里兹法建立了快速屈曲分析框架，并通过与算例中等效刚度法屈曲

2、载荷结果进行比较，验证了本文方法具有较高的预测精度。然后，对比了3种结构尺寸下网格加筋壳屈曲分析效率，结果表明本文方法不受结构尺寸影响，平均计算时间仅为6S，凸显了其用于超大直径结构分析的高效性。进而，基于本文方法对4种传统加筋构型及2种新型多级加筋构型进行屈曲载荷评估，其预测误差均在3．0％以内，表现出广泛的构型适用性。在此基础上，通过优化设计的方法对比了上述6种加筋构型的承载效率，优化结果表明本文提出的多级三角型加筋构型最具承载优势，相较于初始方案取得了82．2％的承载增幅，可作为一种新型超大直径网格加筋壳结构储备。关键词：网格加筋筒壳；渐进均匀化法；瑞利一里兹

3、法；屈曲分析；优化设计中图分类号：V214．4；V414．4文献标识码：A文章编号：10006893(2017)02—22037909网格加筋壳作为一种典型的薄壁结构形式，具有较高的比强度和比刚度，广泛应用于飞机机身口]、运载火箭的推进剂贮箱[2]、超高声速飞行器的舱段[31等航空航天结构中。为满足中国在研的大型飞机及重型运载火箭大幅提高的承载需求，主承力部段中网格加筋壳的直径及占重比也将跨越式提升。轴压工况是其主要服役工况，整体屈曲失稳是其主要失效模式[“。为了提高此类超大直径网格加筋壳结构的承载能力，学者们开展了大量的构型设计与优化研究口]，其中仿生学设计理念将

4、有助于启发学者们提出创新的加筋构型。例如蜻蜓膜翅这种代表性的层级结构[6]，其由粗壮的主翅脉和细密的次翅脉组成，表现出优异的承载优势。受此结构特性启发，马建峰等[61给出了新颖的多级航空加筋壁板结构设计方案，类比于蜻蜓膜翅，这种结构也由主筋和次筋构成，并因此带来了更大的结构比刚度和比强度。近年来，基于层级设计理念，学者们开展了大量多级加筋结构承载性能分析与优化设计研究口。11I。尽管取得了较好的承载性能，但结构层级的丰富也导致加筋构型变得更为复杂。对于此类超大直径网格加筋壳结构，尤其是复杂的多级网格加筋壳结构，采用有限元法进行屈曲分析存在着计算成本过大的缺点u⋯，不

5、适宜用于型号初步设计阶段，亟需提出一种简便快速的屈曲分析方法来缩短网格加筋壳乃至整箭、整机的研制周期。目前在工程中常用的快速屈曲分析方法是等效刚度法(SmearedStiffenerMethod，SSM)[]3-143，收稿日期：2016—04—27；退修日期：2016—06—17；录用日期：2016—07—06；网络出版时间：2016．08．1509：04网络出版地址：WWWcnki．net／kcms／detail／111929V．201608150904．004html基金项目：国家“973”计划(2014CB049000)；国家自然科学基金(11372062，

6、11402049)；中国博士后科学基金(2015T80246)；高等学校学科创新引智计划(B14013)*通讯作者E—mail：haopeng@dluteduca引用格武；王博，田镝，郑岩冰．等，超大直径甄格加筋简亮快速屈蓝分析方法!JI．航空学报。2017。38(2)：220379．WANGB．TIANK，ZHENGYB。ela1．Arapidbucklmganalys／smethodforlarge-scalegrid-stiffenedcylindricalshells[Jj．ActaAeronauticaetAstronauticaSinica．2017．3

7、8(2)：220379i220379—1航空学报其具有较高的分析效率¨⋯。其核心思路是基于解析法对筋条进行等效，并将其等效刚度系数与蒙皮的刚度系数直接叠加，最终代入瑞利一里兹公式计算得出临界屈曲载荷值。在此基础上，Jaunkyll6o和Zhang[171等通过提高解析法精度的方式对等效刚度法进行了改进。此外，加筋构型的适用性也极大地制约着等效刚度法的发展口8I。每当加筋构型变化时，等效刚度法都需要重新进行解析推导，且当存在复杂加筋构型时推导过程将变得繁琐复杂，给选型优化设计造成极大的技术难度。相较于解析法，数值等效方法具有更高的预测精度。最常用的数值等效方法有代