水下爆炸载荷作用下环肋加筋圆柱壳结构的弹塑性动力屈曲

为研究水下爆炸载荷作用下潜艇结构的动力屈曲现象,以潜艇耐压结构的简化模型环肋加筋圆 柱壳结构为研究对象,建立流固耦合有限元分析模型,应用瞬态有限元分析程序MSC.Dytran对该结构在水 下爆炸冲击载荷作用下的弹塑性动力屈曲行为进行研究,基于Budiansky-Roth准则和Southwell方法确定环 肋加筋圆柱壳结构的临界屈曲载荷,讨论结构动力屈曲的影响因素如载荷强度、网格密度、径厚比、长径比、加 筋截面间距、加筋尺寸等对环肋加筋圆柱壳结构动屈曲模态和临界屈曲载荷的影响。结果表明:采用建立的 流固耦合有限元分析模型,应用动力瞬态有限元软件MSC.Dytran可以对加筋圆柱壳结构的动力屈曲行为进 行模拟,模型网格尺寸大小、结构几何参数对结构的动力屈曲临界载荷都有一定的影响,其中加筋圆柱壳结构 的径厚比对结构的动力屈曲临界载荷影响最为显著。     

激光辐照下圆柱壳结构的稳定性分析

针对航天工程中常用的承受轴压作用的薄壁圆柱壳,分别采用解析方法与特征值屈曲有限元方法分析了圆柱壳结构在均匀轴压作用下的稳定性能,得到了屈曲承载力.并进行了对比,验证了有限元模型的合理性.采用线性屈曲特征值有限元方法分析了强激光辐照作用下圆柱壳的稳定性能,分析表明激光辐照导致壳体局部温度上升并由此带来材料参数的改变,是因为激光辐照在壳体中引起了热应力与热应变,使轴压圆柱壳的屈曲承载力明显降低.论文还着重对加筋圆柱壳结构的稳定性进行了研究,数值分析结果表明,加筋能有效提高圆柱壳结构的抗压承载力,激光辐照作用下,加筋对轴压作用下圆柱壳的屈曲承载力的提高作用更为明显.     

考虑几何缺陷的非均匀加筋圆柱壳结构优化设计

为了提高加筋圆柱壳结构的承载能力,提出了一种新型的非均匀加筋圆柱壳结构设计方案,其中加筋圆柱壳筋条体系采用非均匀布置的方式。本文基于非线性显式动力学方法对非均匀加筋圆柱壳进行了稳定性分析,得到了壳体完善结构和缺陷结构的承载能力。研究结果表明:在不改变结构质量的情况下,非均匀加筋圆柱壳结构以降低壳体两端刚度和增强壳体中部刚度的方式来避免壳体结构中部率先发生屈曲失稳,从而提高了薄壁结构的承载能力。此外,非均匀加筋圆柱壳结构在抵抗几何缺陷方面表现出更为优异的力学性能,具有更低的缺陷敏感性。基于此,本文构造了低缺陷敏感性的非均匀加筋圆柱壳优化模型,并应用算例证明了该优化模型的实用性以及该结构在工程中的适用性。     

静水压力下环加肋圆柱壳总体与局部失稳分析的复合有限…

本文提出了一种计算环加肋圆柱壳稳定性的新方法－复合有限条法。该方法能够在一个复合有限条元中计入若干个横向加肋的影响，并能考虑肋骨的偏心，是一种子结构方法。算例表明，复合有限条法具有很高的求解精度和效率，是一种分析加肋柱壳结构的较理想方法。该方法不仅能够计算环加肋圆柱壳的总体失稳临界载荷，而且可计算其局部失稳临界载荷。     

静水压力下环加肋圆柱壳总体与局部失稳分析的复合有限条法

本文提出了一种计算环加肋圆柱壳稳定性的新方法─—复合有限条法。该方法能够在一个复合有限条元中计入若干个横向加肋的影响，井能考虑肋骨的偏心，是一种子结构方法。算例表明，复合有限条法具有很高的求解精度和效率，是一种分析加肋柱壳结构的较理想方法。该方法不仅能够计算环加肋圆柱壳的总体失稳临界载荷，而且可计算其局部失稳临界载荷。     

复合材料圆柱壳失稳载荷的振动监测

本文根据结构振动与稳定性的相关性，以振动频率测试值作为监控参数进行了复合材料圆柱壳的失稳状态监测。该方法首先利用模态试验，测量得到了复合材料圆柱壳在轴压和外压栽荷作用下的模态特性变化特性，进而利用一阶固有频率在低载荷下的这种变化特性，采用多项式拟合法，无损预估了复合材料圆柱壳的轴压和外压屈曲栽荷，估计值与试验测试结果比较一致。     

任意边界条件下环肋圆柱壳振动特性的建模与求解

边界条件对环肋圆柱壳的振动特性有重要影响。基于能量法,把环肋看作离散模型,构建了任意边界条件下加环肋圆柱壳的动力学模型。采用一种改进的傅里叶级数作为位移容许函数,通过瑞利里兹程序求解结构的拉格朗日方程,得到环肋圆柱壳的振动模态和频响特性。通过与实验和有限元(FEM)方法的计算结果进行对比,验证了论文方法的准确性,在此基础上分析了环肋偏心方式、截面尺寸、位置分布和边界弹簧刚度等参数对环肋圆柱壳振动特性的影响。     

圆柱壳稳定性问题的研究进展

圆柱壳是工程实际中广泛应用的结构,其主要破坏形式是屈曲失稳．作为力学领域的经典问题,圆柱壳稳定性问题的研究非常之多．其中,受均匀轴向压力的圆柱壳由于临界屈曲载荷的理论预测值与早期试验结果之间的巨大差异,更是推动了壳体稳定性理论的不断发展．本文简要回顾了壳体稳定性理论的发展和分类,并对轴压圆柱壳体试验结果分散且远低于理论预测值的原因及含缺陷圆柱壳体的稳定性研究方法进行了总结,然后综述了地下空间顶管、储油罐、加筋圆柱壳及脱层圆柱壳等实际工程中广泛应用的圆柱壳结构稳定性研究的现状和趋势,最后展望了将来对工程应用中圆柱壳结构的稳定性研究的难点和方向．     

含裂纹薄壁圆柱壳弹塑性失稳极限荷载的解析解

为了得到含环向裂纹压弯薄壁圆柱壳失稳的极限荷载,基于Je?ek解析法,先利用裂纹面的平衡方程、变形几何关系和物理方程,得到在压弯荷载作用下圆柱壳轴力与裂纹面挠度的关系式;再利用极值条件,推导出在轴压和弯矩共同作用下含裂纹薄壁圆柱壳失稳时极限荷载的解析表达式。利用数值计算分析裂纹长度、长细比以及端部施加弯矩对圆柱壳极限荷载、弹性区高度和圆柱壳裂纹截面处挠度的影响,通过有限元数值结果验证极限荷载解析解的准确性。计算结果表明:与无裂纹完善构件相比,弯矩对含裂纹圆柱壳的极限荷载Pu的影响最为显著,其降低幅值可达3.78%～23.18%;弯矩的增加也会导致构件弹性区高度逐渐减小,裂纹面处的挠度呈非线性增长。本文研究弥补了目前该类问题缺乏理论解析解的不足。     

水平圆柱薄壳非轴对称载荷作用内力分析

近年来大直径圆柱形薄壳结构烟风煤粉管道的使用呈增长趋势.水平圆柱薄壳在非轴对称载荷作用下的内力常按整体梁理论或壳的无矩理论计算,无法反映载荷作用边界的弯曲应力.本文结合圆柱壳的无矩理论和弯矩理论,得到了简支水平圆柱薄壳在任意高度内部积灰(粉)、风、雪、自重、地震作用下的内力解析解,且理论解与三维有限元分析结果非常接近.研究结果可推广到类似的非轴对称变形圆柱壳,并为水平薄壁圆柱壳结构设计提供依据.     

新的复合材料格栅加筋板的平铺等效刚度法

针对薄壁复合材料格栅加筋结构的受力特点,在改进原有力学假设的基础之上,推导了一种新的平铺等效刚度计算方法,它充分考虑了筋条和面板之间的相互作用.通过格栅单元结构布局形式的参数化表示,建立了通用的力学分析模型;该模型可用于分析各种结构布局形式和面板铺层方式下的结构总体屈曲问题,故对于航空航天结构设计非常有用.结合Rayleigh-Ritz方法,推导出了求解格栅加筋板屈曲载荷的通用线性特征方程;最后,分析了多种类型格栅结构的算例,并与现有的各种方法进行了比较,结果更为精确,因而对格栅加筋结构的优化设计具有很好的应用价值.     

加筋路径驱动的板壳自适应等几何屈曲分析

加筋薄壁结构常被用于航空航天结构的轻量化设计.随着结构尺寸和几何特征的增加,需要更加精细的网格来满足分析精度的要求.传统的等几何方法采用NURBS张量积形式的拓扑结构,使得在分析过程中难以实现局部细化,而全局细化则会增加不必要的自由度.为了提升加筋板壳结构的数值分析精度和效率,提出一种基于RPHT (rational polynomial splines over hierarchical T-meshes)样条的加筋板壳自适应等几何屈曲分析方法.样条网格可以沿着加筋路径进行自适应的局部细化,有效提升低自由度下加筋板壳结构等几何屈曲分析的精度.首先,蒙皮和筋条分别采用RPHT样条曲面和NURBS样条曲线进行建模,几何建模与数值仿真采用统一的几何语言,实现建模与分析的一体化.其次,采用几何投影算法和样条插值算法实现筋条与蒙皮之间的高效高精度强耦合,并建立基于加筋路径驱动自适应网格细化方法.最后,曲线加筋板和网格加筋壳两个算例验证本方法的高效性和鲁棒性,通过与基于NURBS的等几何分析进行对比,本方法能够明显降低分析模型的总自由度.     

Experimental buckling of internal integral ring-stiffened cylinders

Twenty aluminum cylinders with internal, integral tee-stiffener rings were tested under combinations of axisymmetrical axial load and external lateral pressure to determine buckling characteristics. Seven geometric types were tested; the primary variables were the ratios of cylinder radius to shell thickness, stiffener spacing to shell thickness, and stiffener spacing to stiffener depth. An eighth type, which had variable stiffener spacing and depth, was tested under a lateral pressure varying linearly in the axial direction. Strain-gage data were obtained to aid in evaluation of results. The test results agree well with the theoretical work used for the design.Paper was presented at 1966 SESA Annual Meeting held in Pittsburgh, Pa., on November 6–9.     

Optimization of cylindrical shells with compliant cores

Thin-walled, cylindrical structures are found extensively in both engineering components and in nature. The weight to load bearing ratio is a critical element of design of such structures in a variety of engineering applications, including space shuttle fuel tanks, aircraft fuselages, and offshore oil platforms. In nature, thin-walled cylindrical structures are often supported by a honeycomb- or foam-like cellular core, as for example, in plant stems, porcupine quills, or hedgehog spines. Previous studies have suggested that a compliant core increases the buckling resistance of a cylindrical shell over that of a hollow cylinder of the same weight. In this paper, we extend the linear-elastic buckling theory by coupling it with basic plasticity theory to provide a more comprehensive analysis of isotropic, cylindrical shells with compliant cores. We examine the optimal design of a thin-walled cylinder with a compliant core, of given radius and specified materials, for a prescribed load bearing capacity in axial compression. The analysis gives the values of the shell thickness, the core thickness, and the core density that maximize the load bearing capacity of the shell with a compliant core over an equivalent weight hollow shell. The analysis also identifies the optimum ratio of the core modulus to the shell modulus and is supported by a Lagrangian optimization technique. The analysis further discusses the selection of materials in the design of a cylinder with a compliant core, identifying the most suitable material combinations. The performance of a cylinder with a compliant core is compared with competing designs (optimized hat-stiffened shell and optimized sandwich-wall shell). Finally, the challenges associated with achieving the optimal design in practice are discussed, and the potential for practical implementation is explored.     

爆炸载荷作用下加筋板的失效模式分析及结构优化设计

通过对爆炸载荷下具有1根加强筋的固支矩形加筋板的有限元模拟，探讨了抗爆加筋板结构优化设计方法，分析了加筋板的失效模式以及加强筋相对刚度和冲击载荷强度对加筋板失效模式的影响，指出了失效模式Ⅰ下的3种变形模态以及失效模式Ⅱ下的2种子失效模式，得到了失效模式Ⅰ下加强筋和加筋板最大挠度的近似计算公式，提出了单根加筋板的两种失效模式的判别条件，并对具有1根加强筋的固支矩形加筋板抗爆结构进行了优化设计。结果表明，通过数值模拟或模型实验可以求得任意加筋板结构由发生塑性大变形到发生破损的临界条件，从而确定抗爆性能最强时加筋板的质量与加强筋横截面尺寸及间距间的关系，实现对抗爆加筋板结构的优化设计。     

含有分层损伤的复合材料加筋层合板的屈曲性态研究

基于Ｍｉｎｄｉｎ假定推导了考虑剪切的复合材料加筋层板的有限元列式,并在此基础上计算出筋间基板含嵌入分层以及筋与基板连接处含穿透分层的加筋层合板在受压缩载荷情况下的屈曲模式和临界力。本文所给出的有限元方法及结论对从事复合材料结构设计的工程人员具有参考价值。     

金属栅格加筋结构的并行协同优化方法

栅格加筋板的主要失效形式为整体屈曲和局部屈曲,据此提出了一种栅格加筋板布局的并行协同优化方法,将设计变量分为整体设计变量与局部设计变量,在两个子空间中并行优化,然后进行系统级协调,反复迭代至收敛。两个典型算例结果表明,本文方法优化流程清晰、算法稳定且结果可靠,可以获得最优解。     

短柱型复合材料加筋壁板轴向压缩破坏分析方法研究

复合材料加筋结构可作为航空结构中的承力部件,其损伤与破坏对航空器的结构安全和服役性能至关重要．本文通过试验和数值仿真手段研究了短柱型复合材料结构压缩失效机理和极限承载力．通过短柱型单加筋板的轴向压缩破坏试验,分析梳理出界面脱粘和材料压溃两种典型失效形式;分别建立加筋板壳单元模型和实体单元模型,引入内聚力模型和Hashin 准则描述界面脱粘效应与材料破坏,结果表明壳单元模型配合内聚力模型和Hashin 准则可以有效地预测加筋板的极限承载力．分别讨论了加筋板长度、筋条高度、筋条/蒙皮刚度比等参数对加筋板的屈曲承载力的影响,为短柱型复合材料加筋壁板压缩损伤与破坏预测分析提供有益的参考．     

薄板结构加筋布局优化设计方法研究

提出一种两步优化策略,以加筋板结构的固有频率最大化为目标函数,以结构所受外载荷作用的最大静变形为约束条件,开展薄板结构加筋构件的布局优化设计研究。为了降低加筋布局优化的难度,提高优化设计的效率,将加筋等效为一系列弹性铰（点）支撑,以便快速获得加筋横向移动的灵敏度信息。在基本不改变结构重量的情形下,通过合理布局加筋位置,能显著改善结构的刚度分布,提高结构的整体承载能力。随后,小幅调整加筋的截面尺寸,以满足对结构最大变形的设计要求。最后,用两个算例验证了所提优化方法的可行性和有效性。     

A genetic algorithm optimization of ring-stiffened cylindrical shells for axial and radial buckling loads

In this research, the general axial and radial buckling optimization of ring-stiffened cylindrical shells is implemented by the genetic algorithm (GA). The stiffened shell is subjected to four constraints including the fundamental frequency, the structural weight, the axial buckling load, and the radial buckling load. In addition, six design variables including shell thickness, number of stiffeners, stiffeners width and height, stiffeners eccentricity distribution order, and stiffeners spacing distribution order are considered. In analytical solution, the Ritz method is applied and stiffeners are treated as discrete elements. The effect of the weighting coefficients of the objective functions on the optimum solution is studied. The results show that optimized stiffening a cylindrical shell leads to a lower structural weight, higher natural frequencies, and larger axial and radial buckling loads, simultaneously. In addition, the upper and lower bounds of the design variables influence the optimum results considerably. It is also found that the distributions of eccentricity and spacing of the stiffeners influence the magnitudes of the axial and radial buckling loads considerably.