薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1、Nanjing University of Aeronautics & Astronautics工程結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用Question NO. 考題三工程結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用作業(yè)薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)NameStudent No.CollegeProfessio nEmailAddressMobile NO.-13 -摘要薄壁加筋結(jié)構(gòu)是航空、造船以及土木工程領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的一 種結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式，而其自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)決定其穩(wěn)定性能時(shí)設(shè)計(jì)的首 要指標(biāo)，除此之外，強(qiáng)度和質(zhì)量要求也是本文重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。本 文利用大型通用的有限元軟件 PATRAF設(shè)計(jì)了一種薄壁加筋結(jié)構(gòu)， 較好的滿足了問題要求的性能指標(biāo)。關(guān)鍵字：數(shù)值模擬 屈曲

2、分析 薄壁加筋 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)目錄摘要1.第一章薄壁加筋結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)3.1.1薄板的臨界失穩(wěn)載荷計(jì)算 31.2薄壁桿的局部失穩(wěn)和總體失穩(wěn) 41.3加筋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析理論 4第二章加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及思路簡(jiǎn)介5.2.1加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 52.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路 52.2.1設(shè)計(jì)要求分析 52.2.2屈曲分析理論估算 52.3分析總結(jié) 6第三章薄壁加筋結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及結(jié)果分析 7.3.1初步確定模型73.2建立模型73.3結(jié)果分析83.4方案12的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和分析總結(jié) 93.4.1方案12的屈曲數(shù)值計(jì)算結(jié)果 93.4.2分析總結(jié) 10第四章總結(jié)1.Q第一章薄壁加筋結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)1.1薄板的臨界失穩(wěn)載荷計(jì)算

3、如下圖1.1.1所示，一方板在X軸方向受均勻拉應(yīng)力 。的作用，為簡(jiǎn)要起見, 僅給出理論公式及其邊界條件，推導(dǎo)過程省略。圖1.1.1薄板受力示意圖以下給出K值的取值及其邊界條件支持情況系數(shù)k值四邊簡(jiǎn)支1.0X106 N2、 結(jié)構(gòu)的受載邊長不得小于 500mm,結(jié)構(gòu)的長度大于500mm3、材料彈性模量為 70000 N/mm2密度為2.8X 10-6 kg/mm34、受壓結(jié)構(gòu)在壓縮載荷作用下不許出現(xiàn)總體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)5、結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力小于500MPa6、結(jié)構(gòu)重量0.007kg/mm （單位長度）2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路本節(jié)主要分析設(shè)計(jì)要求，并就設(shè)計(jì)要求做一定的模型簡(jiǎn)化，應(yīng)用第一章理論進(jìn)行一定的估算和經(jīng)驗(yàn)

4、設(shè)計(jì)。2.2.1設(shè)計(jì)要求分析上述材料已給定，不需另外設(shè)計(jì)。而結(jié)構(gòu)的大小取最低要求，即為板長寬為500mm*500mm.此時(shí)考慮質(zhì)量要求和強(qiáng)度要求可得：1、截面積最大為2500mm2、等效厚度為5mm3、最大承載均布?jí)毫?00MPa4、最大承載壓縮載荷為1.25e-6 N2.2.2屈曲分析理論估算：若該板不加筋，根據(jù)第一章中理論計(jì)算公式， 可得t=5時(shí)ocr=20.49MPa, Pcr=92.24MPa。 明顯不滿足要求，所以必須加筋。應(yīng)用第三章中的加筋板的屈曲理論，計(jì)算板的臨界載荷隨加筋數(shù)量的影響。由于t3.5時(shí)，該臨界載荷參考性較低，故本文只給出以下幾種厚度板的臨界隨加緊數(shù)量的 變化：10

5、009008007006005004003002001000288101212t=l-t=2Y-t=2.5-*-t=3Fig 2.2.1板的臨界載荷隨厚度和加筋數(shù)量的影響2.3分析總結(jié)有圖可知，選定板的厚度為 22.5左右的范圍是可靠的，加筋為9-10根，臨界應(yīng)力在300-500MPa之間。加筋形式初選為L型和Z型（如下圖2.2.2所示），和壁板用鉚釘連接， 共同承壓。Fig 2.2.2 左為L型，右為 Z型第三章薄壁加筋結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及結(jié)果分析3.1初步確定模型：在初步的數(shù)值模擬中，發(fā)現(xiàn)L型的抗屈曲性能明顯弱于 Z型，所以選擇抗屈曲穩(wěn)定性膠高的Z型桁條。預(yù)置加筋數(shù)量為9根，相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3.1.

6、1所示：圖3.1.1結(jié)構(gòu)示意圖3.2建立模型由于該結(jié)構(gòu)為薄壁加筋結(jié)構(gòu)，故采用2D的SHELL單元來模擬薄板和桁條。共使用19089 個(gè)節(jié)點(diǎn)以及20600個(gè)單元。在薄板三邊設(shè)置簡(jiǎn)支邊界條件，即限定三個(gè)方向位移 .另一邊僅限 制X和Z方向位移，加載1為丫向壓力為1MPa，加載2為10e6/S（MPa）,其中S為該結(jié)構(gòu) 的截面積。模型如下圖3.2.1所示：圖3.2.1 有限元模型工況一：丫向壓力為1（ MPa）工況一：丫向壓力為10e6/S（ MPa）3.3結(jié)果分析在第一章中我們已經(jīng)預(yù)估了薄板t的范圍，所以在該范圍內(nèi)不斷改變t的大小以及桁條的 厚度，分別進(jìn)行工況一線性屈曲特征值分析 （選取第一階模態(tài)

7、）與工況二線性靜態(tài)分析（選 取米歇斯應(yīng)力最大值）下的數(shù)值模擬，得到計(jì)算結(jié)果如下圖：萬案板厚/mm桁條厚度/mm總面積/Mm2應(yīng)力/MPa總臨界載荷/N板最大應(yīng)力/MPa桁條最大應(yīng) 力 /MPa11.503.202478.00308.68764909.0421.653.102499.00358.00894642.0031.703.002470.00369.47912590.9041.703.402686.00410.001101260.0051.753.002495.00390.00973050.0061.852.902491.00422.491052422.59571.445.72.002.7

8、52485.00470.981170380.33528.450.82.002.502350.00440.001034000.00558.505.92.202.502450.00480.001176000.00487.433.21102.302.502500.00564.001410000.00454.450.112.352.452498.00574.801435850.40452.452.122.402.402496.00582.001452672.00454.454.由于總臨界載荷10e6（N），總面積2500mm2，以及最大許用應(yīng)力為500MPa,所以符合 要求的只有方案9-12，當(dāng)然不斷

9、加厚板的面積可能還有滿意的結(jié)果，但對(duì)于本文來說，這 四種方案已經(jīng)足夠滿足性能指標(biāo)?？紤]到公益性、可加工性、一致性以及強(qiáng)度的可靠度，本文擬采用方案12.其能滿足強(qiáng)度要求，穩(wěn)定性要求，以及質(zhì)量要求。下一節(jié)將詳細(xì)給出方案12的數(shù)值計(jì)算結(jié)果：3.4方案12的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和分析總結(jié)3.4.1 ( a)所示:3.4.1方案12的屈曲數(shù)值計(jì)算結(jié)果1)屈曲特征值分析第一階模態(tài)云圖如圖13-Ma-l 2 20:1029L A20:Mode 1 : Factor = 582. Eigenwctors. Translational. Magnitude. (NON-LAYERED)圖3.4.1( a)第一階模態(tài)云圖3)靜力分析米歇斯應(yīng)力云圖如圖3.4.2 (b)所示:J 04-002；1 Static Subcarse. Slrass Tenecir，咖血 ises.討 E3朋刊02 3.6?* 302-303+00?2?24fl022.302+0021 82*04211.52*3020 1+001609-KlOip圖3.4.2 ( b)靜力分析米歇斯應(yīng)力342分析總結(jié)以上云圖基本說明了該方案滿足性能指標(biāo)， 并且還有相當(dāng)大的余量，這也是可靠性 設(shè)計(jì)的要求。由屈曲云圖可知，該結(jié)構(gòu)在承受10e6牛頓的壓力時(shí)既沒有發(fā)生局部失穩(wěn)也沒有發(fā)生整體失穩(wěn)。而在承受該載荷時(shí)，最大米修斯應(yīng)力為454MPa,小于