一种轴压筒壳结构承载力折减系数及其确定方法技术

本发明专利技术涉及一种轴压筒壳结构承载力折减系数的确定方法，属于结构力学分析技术领域。该承载力折减系数k包括几何形状缺陷折减系数k1，该承载力折减系数k还包括载荷缺陷折减系数k2、开孔缺陷折减系数k3和属性缺陷折减系数k4，所述的属性缺陷折减系数k4包括材料缺陷引起的折减系数和厚度缺陷引起的折减系数。本发明专利技术采用结构确定性分析来分别获得对承载能力影响较为明显的几何形状缺陷、载荷缺陷以及开孔缺陷所对应的折减系数。然后基于结构可靠性分析来顾及其它形式缺陷的影响并获得相应的折减系数。最后将这四个独立的折减系数组合起来获得一个新的安全鲁棒的折减系数。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种轴压筒壳结构承载力折减系数的确定方法，属于结构力学分析
，涉及一种基于精确可靠的现代数值计算技术来给出轴压筒壳结构承载力折减系数的方法，特别适合于对航天大型薄壁筒壳结构的轻重量设计
，比如火箭的外壳结构、卫星的主承力筒；大型薄壁筒壳结构的半径一般大于2m，高度大于2m，半径/厚度＝400-1000。
技术介绍
薄壁筒壳结构具有高的比强度和比刚度性能，并作为主要承力部件被广泛应用于轻重量的航天工程结构系统中，如运载火箭的承力外壳和卫星的主承力筒等。薄壁结构的承载能力往往由其屈曲承载能力所决定，并且其屈曲承载能力对缺陷的敏感度极高。结构缺陷的存在可能使筒壳的极限承载能力较无缺陷情况下的理想值下降5％-40％，并且呈现出很大的随机性。因此，为保证筒壳结构的使用安全，通常会在结构设计中引入一个小于1的折减系数。筒壳结构的真实承载力应当等于其在无缺陷理想情况下计算得到的承载能力乘上相应的折减系数。1965年NASA基于当时所搜集的筒壳结构稳定性试验数据提出了著名的、后来在工程中被广为应用的SP-8007结构稳定性设计手册。但在那个年代由于计算机计算能力的限制，SP-8007设计手册中承载力折减系数的提出完全是基于当时的试验数据。从1965年至今，结构件生产加工以及试验的技术得到了突飞猛进的发展。近几年许多学者已经发现采用NASASP-8007手册所设计的结构过于保守，没有充分挖掘结构的承载能力从而减轻结构重量。2012年欧盟项目DESICOS将原有NASA手册中给出的单个承载力折减系数变成两个，分别考虑了几何缺陷和其余若干缺陷的影响。但该项目没有考虑载荷缺陷以及结构开孔对承载能力的影响，而这两类缺陷在实际工程结构设计中往往又是非常常见的。国内专利(CN201310113723)基于枚举法、遗传算法、代理模型等优化技术，寻找限定缺陷幅度的最不利多点扰动载荷，从而确定轴压筒壳结构承载力的折减系数。但该方法在筒壳结构缺陷分析中仅考虑了几何形状缺陷的影响，所获得的折减系数的可靠性差。概括而言，当前确定筒壳结构承载力折减系数的方法在可靠性上仍然存在一些问题。本专利正是在充分考虑筒壳结构各种可能的缺陷形式的基础上，借助精确可靠的现代数值计算技术所提出的新方法。
技术实现思路
本专利技术的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出一种轴压筒壳结构承载力折减系数及其确定方法。本专利技术的技术解决方案是：一种轴压筒壳结构承载力折减系数，该承载力折减系数k包括几何形状缺陷折减系数k1，该承载力折减系数k还包括载荷缺陷折减系数k2、开孔缺陷折减系数k3和属性缺陷折减系数k4，所述的属性缺陷折减系数k4包括材料缺陷引起的折减系数和厚度缺陷引起的折减系数。所述的承载力折减系数k＝f(k1,k2,k3,k4)，优选k＝k1×k2×k3×k4。所述的几何形状缺陷折减系数k1的确定方法为：采用扰动载荷在筒壳表面产生缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_扰动力，F1_几何_扰动力与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1。所述的几何形状缺陷折减系数k1的确定方法还可以为：采用激光扫描筒壳表面获得的坐标数据来模拟几何形状缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_测量值，F1_几何_测量值与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1。所述的几何形状缺陷折减系数k1的确定方法还可以为：采用扰动载荷在筒壳表面产生缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_扰动力，F1_几何_扰动力与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1_扰动力；采用激光扫描筒壳表面获得的坐标数据来模拟几何形状缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_测量值，F1_几何_测量值与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1_测量值，将k1_扰动力和k1_测量值进行加权平均可得最终的所述的载荷缺陷折减系数k2的确定方法为：当轴向压载荷所产生的偏心角θ增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_载荷，F1_载荷与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k2。定义对于理想均匀轴压载荷时，作用于筒壳受载端面上的各载荷的初始点连线与水平面平行，则对于含缺陷的轴压载荷时，作用于筒壳受载端面上的各载荷的初始点连线与水平面之间的夹角为偏心角θ。所述的开孔缺陷折减系数k3的确定方法为：当开孔的直径增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_开孔，F1_开孔与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为属性缺陷折减系数k4的确定方法为：首先假定轴压筒壳的材料的弹性模量以及轴压筒壳的厚度不再是某一个确定值，而是一组服从正态分布的值，不同的弹性模量值和不同厚度值对应着不同的含缺陷筒壳模型，对不同的弹性模量值和不同厚度值对性的筒壳模型进行分析得到一组服从正太分布的承载力值，赋予不低于99％的置信度后获得筒壳结构在属性缺陷影响下的承载能力的下限值F99％，F99％与无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k4。所述的无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的确定方法为：采用有限元数值算法对无缺陷理想筒壳结构进行屈曲特征值分析，得到无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect。一种轴压筒壳结构承载力折减系数的确定方法，步骤为：(1)采用有限元数值算法对无缺陷理想筒壳结构进行屈曲特征值分析，得到无缺陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect；(2)确定几何形状缺陷折减系数k1；(3)确定载荷缺陷折减系数k2；(4)确定开孔缺陷折减系数k3；(5)确定属性缺陷折减系数k4；(6)根据步骤(2)-步骤(5)得到的系数进行组合得到轴压筒壳结构承载力折减系数k，形式如下：k＝f(k1,k2,k3,k4)。优选k＝k1×k2×k3×k4。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)当前设计筒壳结构普遍采用NASASP-8007手册所提供的承载力折减系数，该折减系数的给出完全是基于四、五十年前所搜集到的大量试验数据。随着生产加工和试验技术的飞速发展本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种轴压筒壳结构承载力折减系数，该承载力折减系数k包括几何形状缺陷折减系数k1，其特征在于：该承载力折减系数k还包括载荷缺陷折减系数k2、开孔缺陷折减系数k3和属性缺陷折减系数k4，所述的属性缺陷折减系数k4包括材料缺陷引起的折减系数和厚度缺陷引起的折减系数。

【技术特征摘要】
1.一种轴压筒壳结构承载力折减系数，该承载力折减系数k包括几何形
状缺陷折减系数k1，其特征在于：该承载力折减系数k还包括载荷缺陷折减系
数k2、开孔缺陷折减系数k3和属性缺陷折减系数k4，所述的属性缺陷折减系
数k4包括材料缺陷引起的折减系数和厚度缺陷引起的折减系数。
2.根据权利要求1所述的一种轴压筒壳结构承载力折减系数，其特征在
于：所述的承载力折减系数k＝f(k1,k2,k3,k4)，优选k＝k1×k2×k3×k4。
3.根据权利要求1-2任一所述的一种轴压筒壳结构承载力折减系数，其
特征在于：所述的几何形状缺陷折减系数k1的确定方法为：采用扰动载荷在筒
壳表面产生缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持
恒定，此时的承载力值为F1_几何_扰动力，F1_几何_扰动力与无缺陷理想筒壳结构的极限承
载能力Fperfect的比值即为k1。
4.根据权利要求1-2任一所述的一种轴压筒壳结构承载力折减系数，其
特征在于：所述的几何形状缺陷折减系数k1的确定方法为：采用激光扫描筒壳
表面获得的坐标数据来模拟几何形状缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一
值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_几何_测量值，F1_几何_测量值与无缺
陷理想筒壳结构的极限承载能力Fperfect的比值即为k1。
5.根据权利要求1-2任一所述的一种轴压筒壳结构承载力折减系数，其
特征在于：所述的几何形状缺陷折减系数k1的确定方法为：采用扰动载荷在筒
壳表面产生缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持
恒定，此时的承载力值为F1_几何_扰动力，F1_几何_扰动力与无缺陷理想筒壳结构的极限承
载能力Fperfect的比值即为k1_扰动力；采用激光扫描筒壳表面获得的坐标数据来模
拟几何形状缺陷，当几何形状缺陷的幅度增大到某一值后，筒壳的承载力保持
恒定，此时的承载力值为F1_几何_测量值，F1_几何_测量值与无缺陷理想筒壳结构的极限承
载能力Fperfect的比值即为k1_测量值，将k1_扰动力和k1_测量值进行加权平均可得最终的
6.根据权利要求1-2任一所述的一种轴压筒壳结构承载力折减系数，其
特征在于：所述的载荷缺陷折减系数k2的确定方法为：当轴向压载荷所产生的
偏心角θ增大到某一值后，筒壳的承载力保持恒定，此时的承载力值为F1_载荷，
F1_载荷与无缺陷理想筒...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁珂，张雁，
申请(专利权)人：中国空间技术研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11