一种轴压筒壳结构承载力折减因子确定方法技术

本发明专利技术涉及航空航天、建筑结构主承力薄壁构件的稳定性校核技术领域，公开了一种轴压筒壳结构承载力折减因子确定方法，区别于以NASASP-8007为代表的基于实验经验的传统缺陷敏感度评价方法，以施加径向集中力（扰动载荷）的方式引入凹陷缺陷，首先数值分析单点凹陷缺陷幅度对轴压筒壳轴压承载力的影响规律，确定合理的加载载荷幅度范围；其次进行多点凹陷缺陷的缺陷敏感度分析；然后以加载载荷的幅值和加载位置的分布为设计变量进行实验设计抽样；最后基于枚举法、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，确定轴压筒壳结构承载力的折减因子，建立了更真实可靠、更具有物理意义的轴压筒壳结构缺陷敏感度和承载性能的评价方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及航空航天、建筑结构主承力薄壁构件的稳定性校核
，特别涉及一种轴压筒壳结构承载力折减因子的确定方法。
技术介绍
箭体结构在发射阶段需要承受巨大的起飞推力，为此轴压载荷是其承力结构最重要的设计工况。全金属网格加筋的推进剂贮箱尽管作为箭体结构的次承力结构，其承受的轴压也十分巨大。以我国正在研制的芯级结构直径5米的新一代大直径运载火箭CZ-5为例，仅其助推结构中直径3.35米的全金属网格加筋液氧箱，设计轴压也超过400吨。这样的受压薄壁构件对初始缺陷，尤其对结构初始几何缺陷十分敏感，这导致基于完善模型理论或数值预测的结构极限承载力要比实际情况小得多。工程师在实际设计中，往往会采用一个规范建议的远小于I的“折减因子”(或称之为“修正系数”)对预测的承载力给予修正，一般来说，轴压筒壳结构的径厚比(筒壳半径除以壳的等效厚度)越大，缺陷敏感度越高、折减因子越小，结构设计中所采用的许用承载力相对基于完善模型预测的承载力也就越小。伴随我国新一代运载火箭和未来重型运载火箭跨越式提高的发射载荷，火箭的直径将大幅度提高，其中作为承力结构的筒壳结构的缺陷敏感性问题亦将凸显，因此迫切需要一种新的轴压筒壳结构承载力折减因子的确定方法。以NASA SP-8007为代表的传统筒壳结构缺陷敏感度评价方法多基于半经验公式，通过大量的实验结果给出筒壳结构承载力折减因子(KDF)。随着制造技术和材料系统的发展，这种确定折减因子的方法显得过于保守、实验耗资较大，且带来了较大的结构增重。基于这种现状，大量学者开始采用数值分析的方法来研究轴压筒壳结构的缺陷敏感性问题，即在完善筒壳结构中引入一阶模态缺陷、径向集中力缺陷和单点凹陷缺陷等初始缺陷，经过数值计算后给出结构承载力的折减因子。虽然已开展了大量工作，但仍未有给出一种物理意义明确、考虑最不利缺陷的折减因子确定方法。综上所述，目前有必要提出一种物理意义明确且便于实验验证的轴压筒壳结构承载力折减因子的确定方法。
技术实现思路
本专利技术的目的是:针对现有的确定筒壳结构承载力折减因子方法中过于保守、实验成本较大、缺乏明确而充分物理意义等缺点，提出了一种新的基于最不利多点扰动载荷模式的筒壳承载力折减因子确定方法，通过引入多点凹陷缺陷，并基于枚举法、遗传算法或代理模型等优化技术得到了有限个数凹陷下的最不利多点扰动载荷组合，确定了轴压筒壳结构的承载力折减因子，相较于NASA SP-8007为代表的基于实验经验的传统缺陷敏感度评价方法，更便于实验验证，且具有更明确的物理意义和更真实可靠的预测结果。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是:提供了，具体包括以下步骤:步骤1:针对完善筒壳结构，以施加径向集中力(扰动载荷)的方式引入凹陷缺陷，首先运用有限元数值分析方法计算出不同单点凹陷缺陷幅度下的轴压筒壳结构的轴压承载力，即缺陷敏感度分析，得到径向集中力与凹陷缺陷敏感度之间的关系，确定合理的加载载荷幅度范围，其中，最大的缺陷幅度亦即所引入的最大径向集中力是由制造质量和检测公差决定的。步骤2:引入多点组合凹陷缺陷进行缺陷敏感度分析，所述多点组合凹陷缺陷引入方式与步骤I中单点凹陷缺陷引入方式一致。以三点凹陷缺陷为例，定义外接圆心与三角形顶点的距离为7，使其从O值开始变化，计算得出相应的屈曲载荷值，绘制出屈曲载荷值与距离7的变化曲线图，并以最小屈曲载荷值所对应的距离值作为有效距离人，这样一种有效距离的组合模式可以近似地预测每个缺陷之间合理距离，并假设其涵盖了相邻载荷位置之间的不利影响。假设载荷位置均匀地分布在筒壳上，可推出轴向和环向的加载位置间隔5^、兄和相应的加载位置的数目/ a、化的表达式如下: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因子确定方法，具体包括以下步骤：步骤1：针对完善筒壳结构以施加径向集中力，即扰动载荷的方式引入凹陷缺陷，首先运用有限元数值分析方法计算出不同单点凹陷缺陷幅度下的轴压筒壳结构的轴压承载力，即缺陷敏感度分析，得到径向集中力与凹陷缺陷敏感度之间的关系，确定合理的加载载荷幅度范围，其中，最大的缺陷幅度亦即所引入的最大径向集中力???????????????????????????????????????????????是由制造质量和检测公差决定的；步骤?2：引入多点组合凹陷缺陷进行缺陷敏感度分析，所述多点组合凹陷缺陷引入方式与步骤1中单点凹陷缺陷引入方式一致；以三点凹陷缺陷为例，定义外接圆心与三角形顶点的距离为l，使其从0值开始变化，计算得出相应的屈曲载荷值，绘制出屈曲载荷值与距离l的变化曲线图，并以最小屈曲载荷值所对应的距离值作为有效距离le，轴向和环向的加载位置间隔Sa、Sc和相应的加载位置的数目na、nc的表达式如下：其中，L代表筒壳轴向高度，R代表筒壳半径，多点凹陷缺陷（n点）情况下距离l的定义方式与三点凹陷缺陷情况一致，即以外接圆心与正n边形顶点间的距离来定义l；考虑到搜索规模和效率，这里的l取为le，确定了na、nc后，每个加载位置都会被分配一个位置编号，位置编号从筒壳底端的0度位置开始，沿轴向由底端至顶端增加，并且也沿着环向增加；将径向集中力N设定为一个优化变量，以Nmax为取值上限，以零或者经验小值为取值下限；考虑到计算效率，建议缺陷数目设为3；步骤?3：以径向集中力N和凹陷缺陷的加载位置的数目na、nc作为变量进行实验设计抽样；步骤?4：基于枚举法、遗传算法或代理模型优化技术寻找筒壳结构的最不利多点扰动载荷；优化目标为最小化含有多点凹陷缺陷的筒壳结构的屈曲载荷值，其中，Nn代表第n个径向集中力的位置编号，Pcr为轴压筒壳结构屈曲载荷值，Xil代表第i个变量（包括径向集中力N和凹陷缺陷的加载位置的数目na、nc）的上限，Xiu代表第i个变量（包括径向集中力N和凹陷缺陷的加载位置的数目na、nc）的下限；优化结束后，通过公式：得到改善的折减因子KDF；其中为考虑多点最不利多点扰动载荷条件下的轴压筒壳结构屈曲载荷值，为完善的轴压筒壳结构屈曲载荷值。811503dest_path_image002.jpg,33537dest_path_image004.jpg,446063dest_path_image006.jpg,208483dest_path_image008.jpg,390066dest_path_image010.jpg,783001dest_path_image012.jpg...

【技术特征摘要】
1.一种轴压筒壳结构承载力折减因子确定方法，具体包括以下步骤: 步骤1:针对完善筒壳结构以施加径向集中力，即扰动载荷的方式引入凹陷缺陷，首先运用有限元数值分析方法计算出不同单点凹陷缺陷幅度下的轴压筒壳结构的轴压承载力，即缺陷敏感度分析，得到径向集中力与凹陷缺陷敏感度之间的关系，确定合理的加载载荷幅度范围，其中，最大的缺陷幅度亦即所引入的最大径向集中力.Y=,是由制造质量和检测公差决定的； ...

【专利技术属性】
技术研发人员：王博，郝鹏，李刚，田阔，杜凯繁，方耀楚，张希，唐霄汉，王斌，骆洪志，
申请(专利权)人：大连理工大学，
类型：发明
国别省市：