[發明專利]一種基于梁殼耦合模型的加筋殼高效屈曲優化方法

在審

• 申請號: 202211491282.0
• 申請日: 2022-11-25
• 公開（公告）號: CN115718962A
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 孫宇;田闊;王博;周演;周子童;李曉昂
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: G06F30/17
• 分類號: G06F30/17;G06F17/11;G06F111/10
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 李曉亮

本發明屬于航空航天結構中加筋殼的結構設計，涉及一種基于梁殼耦合模型的加筋殼高效屈曲優化方法，能夠同時優化筋條的尺寸和布局，從而最大化加筋殼的屈曲載荷。該方法通過高階連續的等幾何退化殼單元和Timoshenko梁單元來模擬蒙皮和筋條，通過梁殼耦合模型建立加筋單胞模型。借助等幾何殼的高階連續性，解析獲得連續且光滑的筋條靈敏度場，因此可以通過梯度類優化算法求解加筋優化問題。在此基礎上，采用均勻化方法得到加筋單胞模型的等效剛度系數，通過瑞利?里茲法計算等效模型的屈曲載荷。綜上，本發明建立了基于等幾何分析的加筋殼屈曲優化設計框架。本發明可以顯著提高加筋殼的優化效率和尋優能力，獲得創新的加筋單胞構型，其性能明顯優于傳統的正置正交加筋殼。

技術領域

本發明屬于航空航天結構計算領域，提出一種基于梁殼耦合模型的加筋殼高效屈曲優化方法。

背景技術

運載火箭在發射階段需要承受巨大的起飛推力，由于慣性載荷的存在，加筋殼主要受到軸向載荷的作用。對于此類薄壁結構，軸壓屈曲失穩往往先于強度破壞發生，是其主要失效模式。為了保證運載火箭的承載性能，設計人員希望通過合理的加筋優化設計來提高加筋殼的抗屈曲能力。在運載火箭中，常見的加筋單胞構型主要有正置正交、斜置正交、正三角、橫三角等。

不少學者在這些加筋構型基礎上，對蒙皮厚度、筋條厚度、筋條高度等參數展開輕量化設計，以期提升加筋殼的承載效率。這種加筋形式雖然可以解決增加結構剛度，減少結構質量的問題，但是由于設計空間較小，很難成為最理想的解決方案。

隨著運載火箭直徑的跨越式增大，加筋殼的結構尺寸和結構復雜性相應增加，加筋殼的輕量化和高承載設計要求也變得日益苛刻，為此很多研究者致力于加筋殼的優化方法的研究以彌補現有設計的不足。一方面，應用精細的有限元模型來開展加筋殼的屈曲分析及優化設計，必將導致結構的分析和優化效率極低，難以應用工程實際。考慮到加筋殼的結構形式往往具有周期性，研究者們通常應用等效剛度法或者均勻化方法獲得加筋模型的等效剛度系數，然后借助有限元方法或瑞利-里茲法來預測結構的屈曲載荷，從而極大地減少分析的自由度，顯著地提升加筋殼的分析和優化效率。另一方面，傳統加筋構型的有效性和可靠性在大量的實驗和應用中得到了證明，設計人員希望在傳統加筋構型的基礎上，能夠充分挖掘結構設計潛能，獲得承載性能更為優異的新穎加筋構型，為此研究者們提出了多級加筋構型和曲線加筋構型等創新加筋構型。近年來，拓撲優化也廣泛的應用于加筋布局優化的初始設計階段。

受上述研究的啟發，本發明基于等幾何梁殼耦合模型、結合均勻化方法和瑞利-里茲法建立加筋殼高效屈曲優化方法。其中應用梁殼耦合模型模擬加筋單胞構型，耦合關系通過等幾何形函數建立。應用基結構生成筋條初始布局并通過均勻化獲得加筋單胞的等效剛度系數，然后應用瑞利-里茲法來計算加筋殼的屈曲載荷，基于上述方法搭建加筋殼屈曲優化設計框架，并應用罰函數法來控制筋條的最小厚度以滿足工程制造要求，通過優化加筋單胞的筋條尺寸和形狀來提高加筋殼的屈曲載荷。本發明同時考慮了筋條的尺寸和形狀，設計空間能夠涵蓋傳統的加筋構型且設計空間和設計潛能更大。而均勻化和瑞利-里茲法的應用極大地提高加筋殼分析和優化的效率。

發明內容

本發明主要解決加筋殼模型大型化和復雜化導致優化效率低，尋優能力差等難題，提出一種基于梁殼耦合模型的加筋殼高效屈曲優化方法，能夠協同優化筋條的尺寸和布局，從而獲得創新的構型設計，并達到大幅提升加筋殼的屈曲載荷的目的。

為達到上述研究目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于梁殼耦合模型的加筋殼高效屈曲優化方法，包括以下步驟：

步驟100，建立加筋殼的高效屈曲分析方法，用于步驟400的加筋殼屈曲優化，包括以下幾個步驟：