基于缺陷敏感性分析的加筋圆柱壳结构设计

为了对加筋圆柱壳进行面向低缺陷敏感度的结构设计,针对一个直径为3m 的正置正交加筋圆柱壳,基于显式后屈曲数值分析,研究了预制不同幅度的内凹、外凸双曲母线形状设计的加筋圆柱壳轴压临界荷载对初始模态缺陷的敏感性。结果表明：外凸双曲母线形状可在幅度为20mm时提高含缺陷结构的轴压临界荷载,可达6.6%,表现为对缺陷的低敏感性;内凹双曲母线则可在幅度为-10mm时小幅提高完善结构的轴压临界荷载,可达1.7%;当加筋圆柱壳应用于运载火箭的燃料贮箱时,燃料加注会升高贮箱内压,因此可通过内压控制形成外凸形状来降低结构的缺陷敏感性。     

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.     

含初始缺陷复合材料格栅加筋圆柱壳的鲁棒优化设计

针对复合材料格栅加筋圆柱壳具有多约束、连续变量和非连续变量混合的特性,基于复合材料中厚圆柱壳体的非线性稳定性理论,考虑优化目标和约束鲁棒性,采用混合遗传算法,提出了一种非完善复合材料格栅加筋圆柱壳的鲁棒优化设计方法.应用正交设计理论确定主要的鲁棒优化设计变量,简化了运算过程,从而提高了优化分析效率;同时又采用五点差分格式代替梯度运算,解决了在优化计算过程中不可求导的问题.通过典型算例表明,鲁棒优化设计所得到的优化分析结果与传统确定性优化方法相比差别较大,此外壳体的初始缺陷亦将对优化结果产生很大的影响.     

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．     

薄壁加筋肋圆柱壳稳定性分析的参数化研究

针对在轴向载荷作用下的正置、正交网格形式的薄壁加筋肋圆柱壳结构，利用有限元程序，对薄壁加筋肋圆柱壳稳定性分析进行了参数化研究，得到了进行结构优化设计的准则，对于给定的设计载荷，当结构参数位于某一个局部失稳与整体失稳的临界区域时，结构的重量最轻。提出了基于有限元分析进行结构优化设计的策略，利用优化策略，获得了一薄壁加筋肋圆柱壳结构的优化设计结果，同时给出了粘合刚度简化模型与有限元计算结果的比较。     

含有初始凹陷圆柱壳稳定承载能力的实验研究与数值计算

对含有初始轴对称凹陷的圆柱壳在轴向载荷作用下的稳定承载能力进行了研究。首先,通过实验研究,得到了不同凹陷参数及不同壳长条件下的临界载荷。同时,不考虑凹陷成形过程,仅把凹陷部分当做结构的不规则变化时,对含有凹陷圆柱壳建立三维有限元模型进行稳定性分析。在分析中考虑了初始缺陷(圆柱壳成形加工中的不平直度、椭圆度、初始弯曲等因素引起)幅值f0=0.1t和f0=0.2t(t为壳体壁厚),得到了不同凹陷参数及不同壳长的临界载荷。结果表明:含有凹陷圆柱壳稳定承载能力对初始缺陷不太敏感,即:初始缺陷与凹陷相比,对稳定承载能力的影响极小。数值计算结果与实验结果吻合较好,共同给出了含有初始轴对称凹陷圆柱壳的承载能力随凹陷幅值、长度及圆柱壳长度的变化而改变的规律。     

含轴对称初始缺陷的具有正交各向异性表层的夹层圆柱壳的非线性屈曲

夹层圆柱壳具有很高的结构效能。在许多工程结构中被广泛采用。本文研究分析了含有轴对称初始缺陷的夹层圆柱壳在轴压下的非线性屈曲问题。该夹层壳具有正交各向异性表层和各向同性可承剪的夹心．利用Stein的前屈曲一致理论得出了前屈曲挠度随轴向载荷及缺陷参数的变化情况，运用Galerkin法导出了屈曲控制方程，并进行了数值计算，得到了屈曲载荷、缺陷幅值、缺陷波数、夹心模量等参量之间的关系．结果表明与壳体实际屈曲模态相同的初始缺陷具有很大的危害性，可以通过增加壳体表层的轴向弹性模量或优化夹心的有关参数等途径来提高屈曲载荷，改善壳体屈曲性能。     

基于代理模型和等效刚度模型的加筋柱壳混合优化设计

针对轴压作用下的加筋柱壳后屈曲性能优化计算较大的问题,本文提出了一种基于代理模型和等效刚度模型的混合优化策略,即运用基于等效刚度的平铺模型进行有限元后屈曲分析以代替试验设计中大量的精细加筋模型分析,并通过控制等效模型的单元尺寸来调整其分析精度,而等效刚度模型计算时长仅约为精细加筋模型的1/3。对构建的代理模型采用多岛遗传算法进行极限承载力等约束下的轻量化设计,调用精细模型有限元后屈曲分析对代理模型进行更新,从而保证代理模型的拟合精度并得到优化解。工程算例结果表明,本文提出的混合优化方法,使加筋柱壳结构在满足承载力情况下减重效果明显。     

金属和复合材料加筋板壳承载能力的计算

本文探讨有缺陷的金属和复合材料加筋板壳的面板在局部屈曲前后的有效刚度问题,给出了金属和复合材料的加筋平板和圆柱曲板在外载作用下面板先发生局部屈曲或局部屈曲载荷与整体屈曲载荷相近时承载能力的近似计算方法。     

带频率约束的浸水圆柱壳结构优化设计

与干结构相比，流固耦合系统属于非经典问题，其动态设计要复杂得多。本文基于流固耦合分析，主要探讨了浸水圆柱壳在频率，重量等约束条件下的优化设计问题。针对圆柱壳的结构特点，对壳体，流场分别采用有限条，边界元法进行分析以减小计算量。充分利用系统的灵敏数度信息，采用多目标优化方法对浸水圆柱壳进行了优化设计。通过具体算例证明了本文方法的可行性。     

内部声激励下加筋圆柱壳的声辐射特性分析

从Flügge薄壳理论和Helmholtz波动方程出发,根据模态叠加原理推导了有限长加筋圆柱壳受机械力和内部声源简谐激励下的"内部声腔-加筋柱壳-外部声场"耦合方程.比较了点力和点声源作用时圆柱壳的声辐射特性以及传递损失.结果表明:在讨论的频率范围内,点声源对内场均方声压起主要作用;点声源作用下外场辐射声压分布较均匀,其传递损失较点力作用下的大,但壳体的外场声辐射效率较点声源作用下的高.分析结果对圆柱壳体结构的声学设计具有一定的参考价值.     

阶跃扭矩作用下弹性圆柱壳冲击屈曲

本文首先基于Koiter初始后屈曲理论和Thompson离散坐标方法,给出了受扭圆柱壳的缺陷敏感性分析及冲击扭转屈曲渐近分析,并指出它对应于对称失稳的情形。然后通过求解受扭圆柱壳的非线性动力学方程,指出在阶跃扭矩作用下的后屈曲阶段,壳体的振动幅值剧增,周期变大。     

具有平直条状几何缺陷圆柱壳的弹塑性应力分析

1 引言在实际工程中,由于制造方面的原因,金属圆柱壳结构常常出现平直条状初始几何缺陷.为了探求几何缺陷对壳体应力分布的影响,本文基于初挠曲理论将初始几何缺陷以初挠度引入基本方程.考虑到壳体结构形状的不规则特点,建立了结点任意分布的广义样条子域位移模式,用内时理论构造壳体本构方程.该理论与经典塑性理论相比,具有方程形式简单、应用方便、收敛速度快等特点.2 基本方程与位移模式本文以圆柱壳的子午线和环线为曲线坐标,其中子午向坐标参数为z,环向坐标为转     

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。     

侧向不均匀冲击下环向加筋圆柱壳的动力响应

针对空投鱼雷入水冲击问题,研究了环向加筋圆柱壳在侧向不均匀冲击载荷作用下的动力响应。考虑了壳体剪切变形、转动惯性以及加筋肋骨的拉伸、弯曲和剪切变形,运用Hamilton变分原理推导出了运动方程,并且采用一种半解析有限差分法进行了求解。分析了加肋数目、截面宽度比及加筋形式等因素对结构动力响应的影响。     

静水压下加筋圆柱壳振动特性样条分析方法

本文用样条方法[1]分析了静水压下纵向加筋和环向加肋圆柱壳体的振动特性,文中导出的样条步长矩阵,将等步长样条推广为变步长样条,拓广了样条的使用。文中探讨了静水压对加筋圆柱壳振动特性的影响以及不同加筋对振动特性的影响,计算了几个模型,并与其它文献计算结果进行了比较。     

功能梯度圆柱壳-内声场耦合系统振声预测

针对功能梯度(FGM)圆柱壳与其内声场的振声特性分析需求，采用特征正交-里兹法研究圆柱壳厚度、材料梯度指数、边界支撑刚度、阻抗边界和简谐力位置等因素对振声系统的影响。圆柱壳的位移及内部声压变量通过特征正交多项式与周向傅里叶谐波函数构建，并以声压做功的方式考虑结构与声场之间耦合条件，进而结合里兹法得到耦合系统的振声模态和稳态响应。研究表明，由该模型所得到的数值解与文献及有限元结果具有较好的一致性。对参数的研究发现，壳体厚度、梯度指数、边界刚度、阻抗边界和激励位置等对振声系统的耦合特性均有较为明显影响，这为该类结构的低噪声设计及其内部声场优化提供了有益的参考。     

含有初始缺陷双曲扁壳的固有振动特性分析

以工程中常用的双曲壳结构如圆柱壳、球壳、双曲抛物壳为研究对象,利用薄扁壳理论,基于瑞利-里兹法和切比雪夫多项式求得了几种边界条件下的双曲扁壳的自由振动固有频率,并与ANSYS分析结果进行了对比,验证了该方法的适用性。详细研究了在不同边界条件下的双曲扁壳的几何参数、初始几何缺陷尺寸、初始几何缺陷密集程度对频率大小、频率转向、振型变化的影响。结果表明:随着壳体结构厚度的增加及曲率半径的减小,壳体的固有频率会增加;几何缺陷半波数及缺陷尺寸对频率影响情况较为复杂,并且会使系统发生频率转向问题,这些结果对于工程实际具有重要的理论指导意义。     

薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化研究

新一代航天装备的主承力薄壁舱段在追求极致轻量化的同时,还具有更高的刚度和抗屈曲等设计指标.传统结构形式和设计方法难以满足轻质高承载的设计要求.为此,本文提出了一种薄壁结构多层级并发加筋拓扑优化方法,通过构建主层级稀疏加筋和次层级密集点阵增强结构整体和局部力学性能,扩展结构设计空间,有效提升材料利用率.其中,主层级加筋布局通过变密度拓扑优化方法获得,次层级点阵构型通过基于改进的渐进均匀化方法提出的两种设计方法获得,并基于材料插值模型,建立了多层级并发加筋拓扑优化框架,实现在一次拓扑优化求解中同时获得主层级加筋布局和次层级单胞拓扑构型.基于上述方法,本文分别给出了考虑结构刚度和稳定性设计需求的优化算例,并与传统单层级加筋拓扑优化进行了对比.结果 表明,多层级并发加筋方法可以根据承载边界和设计目标寻找优化的结构形式,且在相同质量下,其优化构型相比传统单层级拓扑优化结果表现出更高的承载性能,证明了本方法在薄壁结构设计上的优势.     

KM6真空容器有限元计算

ＫＭ６真空容器有限元计算邓可顺，纪峥（大连理工大学工程力学研究所）ＫＭ６真空容器是个复杂的锥－柱－柱相贯的大开孔加筋壳体组合结构，由主容器和辅助容器两大部分组成。主容器是一个带有上下椭圆壳形封头的立式加筋圆柱壳，加筋圆往壳上有一个大直径的大开孔与辅助...