CN113642096B - 一种网格加筋结构承载力的快速分析方法 - Google Patents

一种网格加筋结构承载力的快速分析方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113642096B
CN113642096B CN202110712088.XA CN202110712088A CN113642096B CN 113642096 B CN113642096 B CN 113642096B CN 202110712088 A CN202110712088 A CN 202110712088A CN 113642096 B CN113642096 B CN 113642096B
Authority
CN
China
Prior art keywords
reinforcement structure
grid reinforcement
bearing capacity
rib
shell
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202110712088.XA
Other languages
English (en)
Other versions
CN113642096A (zh
Inventor
冀宾
张卫东
兰付明
刘涛
吴春雷
张醒
李程刚
赵学成
王春林
陈中强
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Original Assignee
Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Shanghai Aerospace System Engineering Institute filed Critical Shanghai Aerospace System Engineering Institute
Priority to CN202110712088.XA priority Critical patent/CN113642096B/zh
Publication of CN113642096A publication Critical patent/CN113642096A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN113642096B publication Critical patent/CN113642096B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/10—Geometric CAD
    • G06F30/15—Vehicle, aircraft or watercraft design
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F30/00—Computer-aided design [CAD]
    • G06F30/20—Design optimisation, verification or simulation
    • G06F30/23—Design optimisation, verification or simulation using finite element methods [FEM] or finite difference methods [FDM]
    • G—PHYSICS
    • G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
    • G06F2119/00—Details relating to the type or aim of the analysis or the optimisation
    • G06F2119/14—Force analysis or force optimisation, e.g. static or dynamic forces
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02T—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO TRANSPORTATION
    • Y02T90/00—Enabling technologies or technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Theoretical Computer Science (AREA)
  • Geometry (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Hardware Design (AREA)
  • Evolutionary Computation (AREA)
  • Computational Mathematics (AREA)
  • Mathematical Analysis (AREA)
  • Mathematical Optimization (AREA)
  • Pure & Applied Mathematics (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Automation & Control Theory (AREA)
  • Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
  • Investigating Strength Of Materials By Application Of Mechanical Stress (AREA)

Abstract

一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，适用于承受轴压、弯曲等载荷条件下的飞行器主承力结构设计与分析，兼顾解析法的高效与有限元的准确性与可视性，可以广泛应用于网格加筋结构的承载力分析，在飞行器结构设计初期可以帮助设计人员快速、准确地选型，加快设计、仿真的迭代效率，与全壳有限元仿真方法的结合，可实现网格加筋壳体承载力的全流程高效、准确的计算。

Description

一种网格加筋结构承载力的快速分析方法
技术领域
本发明涉及一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，属于运载器及飞行器结构强度设计领域。
背景技术
网格加筋结构是运载器、飞行器主结构的重要构型。运载火箭70％的主结构均采用了网格加筋结构形式，最具代表性的是贮箱结构。因此，网格加筋结构承载力的评估效率与准确性成为飞行器主结构设计的一项关键技术。
现有的网格加筋结构承载力评估方法主要有两种：(1)基于力学平衡方程的解析算法，该算法计算效率较高，但在计算弹塑性问题、复杂载荷组合形式的失效问题准确率下降。同时，该算法无法直观地给出结构的失效模式。(2)基于有限元的计算方法，该算法准确度较高，在模型简化合适和网格划分较密的情况下，可以准确地模拟出结构的承载力和失效模式，但计算效率不高，使用普通的单机电脑，进行3～4节筒段的有限元分析，往往需要1～2天的时间，这在方案选取时较为低效。
发明内容
本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术中，现有网格加筋结构评估方法存在的计算效率低、准确率差的问题，提出了一种网格加筋结构承载力的快速分析方法。
本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：
一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，步骤如下：
(1)确定网格加筋结构的基本尺寸参数及力学参数；
其中，基本尺寸参数及力学参数包括蒙皮厚度t、按方向区分的筋条类型数量n、各类型筋间距bi、筋高hi、筋宽ti、材料弹性模量E；
(2)根据网格加筋结构各方向类别筋条的筋间距bi、筋高hi、筋宽ti计算该方向类别筋条的等效厚度；
(3)获取各方向类别筋条的等效厚度后，建立模拟蒙皮壳体的有限元模型；
(4)建立各方向类别的筋条等效壳单元，将各方向类别的筋条等效壳单元与模拟蒙皮壳体的有限元模型绑定；
(5)对绑定后的网格加筋结构施加边界条件，进行结构解析后完成结构分析。
所述步骤(1)中，所述筋条共有i类，分别为各方向的筋条，各类筋条的等效厚度具体为：
Figure BDA0003134155210000021
所述模拟蒙皮壳体的有限元模型半径具体根据实际产品的蒙皮中面半径确定。
所述各方向类别的筋条等效壳单元，与模拟蒙皮壳体的有限元模型距离为该方向类别的筋条筋高hi的1/2，各方向类别的筋条等效壳单元等效厚度Reff为：
Figure BDA0003134155210000022
所述筋条等效壳单元的刚度根据各方向类别筋条的刚度确定。
所述边界条件根据网格加筋结构材料、具体结构进行确定。
所述模拟蒙皮壳体需在绑定前进行稳定性分析。
所述网格加筋结构采用正置正交、斜置正交、三角形、Kagome结构。
所述结构承载力解析采用有限元法进行。
本发明与现有技术相比的优点在于：
本发明提供的一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，充分利用网格加筋结构的筋条等效力学性能，建立了筋条等效壳体模型，通过有限元建模可以高效地实现网格加筋结构的承载力分析，可将加筋结构分析单元数目降低至原来的1/10～1/20，极大提高了计算效率，在飞行器结构设计初期可以帮助设计人员快速、准确地选型，加快设计、仿真的迭代效率，与全壳有限元仿真方法的结合，可实现网格加筋壳体承载力的全流程高效、准确的计算。
附图说明
图1为发明提供的网格加筋结构示意图；
图2为发明提供的单个加筋结构示意图；
图3为发明提供的i＝3方向类别筋条宽度及厚度示意图；
图4为发明提供的i＝3方向类别筋条高度示意图；
图5为发明提供的有限元模型示意图；
图6为发明提供的失稳模态示意图；
具体实施方式
一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，适用于承受轴压、弯曲等载荷条件下的飞行器主承力结构设计与分析，兼顾解析法的高效与有限元的准确性与可视性，可以广泛应用于网格加筋结构的承载力分析。
快速分析方法的具体步骤如下：
(1)确定网格加筋结构的基本尺寸参数及力学参数；
其中，基本尺寸参数及力学参数包括蒙皮厚度t、按方向区分的筋条类型数量n、各类型筋间距bi、筋高hi、筋宽ti、材料弹性模量E；
筋条共有i类，分别为各方向的筋条，各类筋条的等效厚度具体为：
Figure BDA0003134155210000031
(2)根据网格加筋结构各方向类别筋条的筋间距bi、筋高hi、筋宽ti计算该方向类别筋条的等效厚度；
(3)获取各方向类别筋条的等效厚度后，建立模拟蒙皮壳体的有限元模型；
模拟蒙皮壳体的有限元模型的半径具体根据实际产品的蒙皮中面半径确定。；
各方向类别的筋条等效壳单元，与模拟蒙皮壳体的有限元模型距离为该方向类别的筋条筋高hi的1/2，各方向类别的筋条等效壳单元等效厚度Reff为：
Figure BDA0003134155210000032
筋条等效壳单元的刚度根据各方向类别筋条的刚度确定；
(4)建立各方向类别的筋条等效壳单元，将各方向类别的筋条等效壳单元与模拟蒙皮壳体的有限元模型绑定；
(5)对绑定后的网格加筋结构施加边界条件，进行结构解析后完成结构分析，其中：
边界条件根据网格加筋结构材料、具体结构进行确定；
模拟蒙皮壳体于进行绑定前进行稳定性分析；
网格加筋结构采用正置正交、斜置正交、三角形、Kagome结构；
结构承载力解析采用有限元法进行。
下面根据具体实施例进行进一步说明：
在本实施例中，充分利用网格加筋结构的筋条等效力学性能，建立了筋条等效壳体模型，通过有限元建模可以高效地实现网格加筋结构的承载力分析。与传统全壳模型相比，该模型可将单元数目降低至原来的1/10～1/20，极大提高了计算效率，在飞行器网格加筋结构设计初期具有良好的应用前景。这种方法已应用于某运载火箭一级贮箱设计中，其精度已得到静力试验的考核验证。
如图1至图6所述，对网格加筋结构承载力快速分析方法进行详细阐述，图1为本发明实施例的一个网格加筋贮箱示意图，图2为网格加筋结构中一个单胞的示意图。该贮箱半径为1675mm，高度为1500mm。材料弹性模量为70GPa。贮箱蒙皮厚度为2.5mm，在柱坐标下筋条方向及其尺寸详见表1：
i θi hi ti bi
1 0 15 6 130
2 41 15 5 196.3
3 60 15 4.5 130
4 90 15 8 150
5 120 15 4.5 130
6 139 15 5 196.3
具体分析步骤为：
步骤一：通过表1，网格加筋结构共计6种方向类别筋条，其详细尺寸见表1；
步骤二：针对第1类筋条，根据筋条的筋间距b1＝130mm、筋高h1＝15mm、筋宽t1＝6mm，确定该方向的等效厚度
Figure BDA0003134155210000051
步骤三：统计其他方向筋条类别，重复步骤，计算出i＝1～6所有方向筋条的等效厚度，详见表2；
Figure BDA0003134155210000052
步骤四：采用ABAQUS软件，建立模拟蒙皮壳体的有限元模型，其半径为蒙皮中面参考位置，R＝1675mm；
步骤五：采用ABAQUS软件，建立各个方向的筋条等效壳单元，由于所有筋条筋高均为15mm，因此，所有筋条的等效壳体半径为1667.5mm，详见表2。等效壳单元采用层合板单元，其铺层仅1层，仅在筋条方向赋予70GPa弹性模量；
步骤六：在ABAQUS软件中将1～6层筋条等效壳单元与模拟蒙皮壳体的有限元模型，即蒙皮单元绑定，蒙皮单元均为主面，等效壳单元为从面；
步骤七：上下端施加固支边界条件，放松上端轴向自由度，完成特征值计算，得到承载能力为12900kN。
整个有限元模型见图5，仅包括11025个单元，远低于全壳有限元模型(约有40万个单元)，采用普通工作站计算，计算时间仅有16.3秒。计算得到的失效模式见图6。这种网格加筋结构的快速计算方法可以适用于结构早期的快速设计与优化，具有良好的工程应用前景。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，其特征在于步骤如下：
(1)确定网格加筋结构的基本尺寸参数及力学参数；
其中，基本尺寸参数及力学参数包括蒙皮厚度t、按方向区分的筋条类型数量n、各类型筋间距bi、筋高hi、筋宽ti、材料弹性模量E；
(2)根据网格加筋结构各方向类别筋条的筋间距bi、筋高hi、筋宽ti计算该方向类别筋条的等效厚度；
(3)获取各方向类别筋条的等效厚度后，建立模拟蒙皮壳体的有限元模型；
(4)建立各方向类别的筋条等效壳单元，将各方向类别的筋条等效壳单元与模拟蒙皮壳体的有限元模型绑定；
(5)对绑定后的网格加筋结构施加边界条件，进行结构解析后完成结构分析。
2.根据权利要求1所述的一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，其特征在于：
所述步骤(1)中，所述筋条共有i类，分别为各方向的筋条，各类筋条的等效厚度具体为：
Figure FDA0003134155200000011
3.根据权利要求1所述的一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，其特征在于：
所述模拟蒙皮壳体的有限元模型半径具体根据实际产品的蒙皮中面半径确定。
4.根据权利要求1所述的一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，其特征在于：
所述各方向类别的筋条等效壳单元，与模拟蒙皮壳体的有限元模型距离为该方向类别的筋条筋高hi的1/2，各方向类别的筋条等效壳单元等效厚度Reff为：
Figure FDA0003134155200000021
5.根据权利要求1所述的一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，其特征在于：
所述筋条等效壳单元的刚度根据各方向类别筋条的刚度确定。
6.根据权利要求1所述的一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，其特征在于：
所述边界条件根据网格加筋结构材料、具体结构进行确定。
7.根据权利要求1所述的一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，其特征在于：
所述模拟蒙皮壳体需在绑定前进行稳定性分析。
8.根据权利要求1所述的一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，其特征在于：
所述网格加筋结构采用正置正交、斜置正交、三角形、Kagome结构。
9.根据权利要求1所述的一种网格加筋结构承载力的快速分析方法，其特征在于：
所述结构承载力解析采用有限元法进行。
CN202110712088.XA 2021-06-25 2021-06-25 一种网格加筋结构承载力的快速分析方法 Active CN113642096B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110712088.XA CN113642096B (zh) 2021-06-25 2021-06-25 一种网格加筋结构承载力的快速分析方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110712088.XA CN113642096B (zh) 2021-06-25 2021-06-25 一种网格加筋结构承载力的快速分析方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN113642096A CN113642096A (zh) 2021-11-12
CN113642096B true CN113642096B (zh) 2023-07-14

Family

ID=78416170

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110712088.XA Active CN113642096B (zh) 2021-06-25 2021-06-25 一种网格加筋结构承载力的快速分析方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113642096B (zh)

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016119087A (ja) * 2014-12-18 2016-06-30 大連理工大学Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 多元的不確定性を考慮した補強リブ付き板殻構造の信頼性最適化方法
CN106777741A (zh) * 2016-12-28 2017-05-31 大连理工大学 一种网格加筋圆柱壳内压强度精确解析的计算方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2016119087A (ja) * 2014-12-18 2016-06-30 大連理工大学Ｄａｌｉａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ 多元的不確定性を考慮した補強リブ付き板殻構造の信頼性最適化方法
CN106777741A (zh) * 2016-12-28 2017-05-31 大连理工大学 一种网格加筋圆柱壳内压强度精确解析的计算方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
网格加筋圆柱壳轴压稳定性分析;杨蓉;马斌捷;吴兵;杜;白鹭;毛丽娜;张明利;;强度与环境(第04期);全文 *
考虑几何缺陷的轴压双层蒙皮加筋柱壳结构设计;王博;杜凯繁;郝鹏;田阔;;中国科学:物理学 力学 天文学(第01期);全文 *

Also Published As

Publication number Publication date
CN113642096A (zh) 2021-11-12

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN110555229B (zh) 一种无网格固体力学仿真方法、电子设备及存储介质
CN104897491B (zh) 钢桥面铺装疲劳开裂试验装置及方法
CN110287550A (zh) 基于变密度法和疲劳寿命分析的白车身焊点优化方法
US8103488B2 (en) Tire design method
CN107766683B (zh) 一种厢式车车厢底部波纹横梁结构轻量化优化设计方法
CN103353916B (zh) 基于工程的复合材料层合板铺层优化后处理方法
CN108984829B (zh) 堆石混凝土堆石体堆积过程的计算方法和系统
CN111159943B (zh) 一种动翼面封严结构的屈曲处理方法
CN110852012A (zh) 轴压加筋板极限强度预测方法
CN106844965A (zh) 一种基于静载试验识别连续梁桥实际刚度的方法
CN108108582A (zh) 一种曲面件柔性轧制成形过程的数值模拟方法
CN109359336A (zh) 一种基于多目标优化的绑扎桥相似畸变模型构建方法
CN106650045A (zh) 一种二级箱间段结构优化设计与强度分析方法
CN115577849A (zh) 一种车间作业单元多目标布局优化方法及电子设备
CN113642096B (zh) 一种网格加筋结构承载力的快速分析方法
CN107025354A (zh) 一种基于极差分析的车窗升降板成形工艺优化方法
CN113836625A (zh) 一种基于能力谱法的输电塔抗震性能等级划分方法及系统
CN107391950A (zh) 一种湍流壁面距离快速计算方法
CN107315871A (zh) 变速箱箱体优化方法和装置
CN114595600A (zh) 一种大型动力机器基础的地基参振质量分析方法
CN107092745A (zh) 一种基于方差分析的车窗升降板成形工艺优化方法
CN111985691A (zh) 一种风电场升压站选址方法
CN109766637A (zh) 基于Krigng代理模型的桥式起重机结构可靠性优化方法
CN113806951B (zh) 一种基于半边数据结构的自然邻近点搜索的弹性仿真方法
CN115293054A (zh) 一种基于神经网络的凹痕管道失效评价方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant