薄壁加筋结构设计.doc

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4、应用作业薄壁加筋结构设计Name Student No. College Profession Email AddressMobile NO.摘要薄壁加筋结构是航空、造船以及土木工程领域内广泛使用的一种结构构件形式，而其自身的结构特点决定其稳定性能时设计的首要指标，除此之外，强度和质量要求也是本文重要的设计指标。本文利用大型通用的有限元软件PATRAN设计了一种薄壁加筋结构，较好的满足了问题要求的性能指标。关键字：数值模拟 屈曲分析 薄壁加筋 结构设计目录摘要1第一章 薄壁加筋结构的理论基础31.1薄板的临界失稳载荷计算31.2薄壁杆的局部失稳和总体失稳41.3加筋结构的稳定性分析理论4第二章

5、 加筋结构设计要求及思路简介52.1加筋结构设计要求52.2结构设计思路52.2.1设计要求分析52.2.2屈曲分析理论估算52.3分析总结6第三章 薄壁加筋结构数值模拟及结果分析73.1初步确定模型73.2 建立模型73.3结果分析83.4方案12的数值计算结果和分析总结93.4.1方案12的屈曲数值计算结果93.4.2分析总结10第四章 总结10第一章 薄壁加筋结构的理论基础1.1 薄板的临界失稳载荷计算 如下图1.1.1所示，一方板在X轴方向受均匀拉应力的作用，为简要起见，仅给出理论公式及其边界条件，推导过程省略。图 1.1.1薄板受力示意图以下给出K值的取值及其边界条件支持情况系数k值

6、四边简支 四边固支 三边简支，与载荷平行一边自由1.2 薄壁杆的局部失稳和总体失稳 如图1.2.1所示，常见的有以下几种加筋型材，也就是薄壁杆件： Fig 1.2.1 薄壁杆件示意图查参考书可得，失稳载荷计算公式如下：1） 薄壁杆件的总体失稳： 其中 2） 薄壁杆件的局部失稳 1.3加筋结构的稳定性分析理论 加筋结构示意图如下： Fig 1.3.1加筋结构示意图加筋板件所能承受的最大总载荷为：其中 ，第二章 加筋结构设计要求及思路简介本章主要根据设计要求，提出设计思路，并作一定的理论计算，为下一章的数值模拟提供参数设计的范围和具体的结构形式。2.1 加筋结构设计要求：1、结构承受单向压缩载荷，

7、压缩载荷1.0106 N2、结构的受载边长不得小于500mm，结构的长度大于500mm3、材料弹性模量为70000 N/mm2 密度为2.8106 kg/mm34、受压结构在压缩载荷作用下不许出现总体失稳和局部失稳5、结构的许用应力小于500MPa6、结构重量0.007kg/mm（单位长度）2.2 结构设计思路本节主要分析设计要求，并就设计要求做一定的模型简化，应用第一章理论进行一定的估算和经验设计。2.2.1 设计要求分析 上述材料已给定，不需另外设计。而结构的大小取最低要求，即为板长宽为500mm*500mm.此时考虑质量要求和强度要求可得：1、 截面积最大为2500mm22、 等效厚度为

8、5mm3、 最大承载均布压力为500MPa4、 最大承载压缩载荷为1.25e-6 N2.2.2 屈曲分析理论估算： 若该板不加筋，根据第一章中理论计算公式，可得t=5时cr=20.49MPa，Pcr=92.24MPa。明显不满足要求，所以必须加筋。应用第三章中的加筋板的屈曲理论，计算板的临界载荷随加筋数量的影响。由于t3.5时，该临界载荷参考性较低，故本文只给出以下几种厚度板的临界随加紧数量的变化： Fig 2.2.1板的临界载荷随厚度和加筋数量的影响2.3 分析总结 有图可知，选定板的厚度为22.5左右的范围是可靠的，加筋为9-10根，临界应力在300-500MPa之间。加筋形式初选为L型和

9、Z型（如下图2.2.2所示），和壁板用铆钉连接，共同承压。 Fig 2.2.2 左为L型，右为Z型第三章 薄壁加筋结构数值模拟及结果分析3.1 初步确定模型：在初步的数值模拟中，发现L型的抗屈曲性能明显弱于Z型，所以选择抗屈曲稳定性胶高的Z型桁条。预置加筋数量为9根，相关结构如图3.1.1所示： 图3.1.1 结构示意图3.2 建立模型由于该结构为薄壁加筋结构，故采用2D的SHELL单元来模拟薄板和桁条。共使用19089个节点以及20600个单元。在薄板三边设置简支边界条件，即限定三个方向位移.另一边仅限制X和Z方向位移,加载1为Y向压力为1MPa，加载2为10e6/S（MPa）,其中S为该结

10、构的截面积。模型如下图3.2.1所示： 图3.2.1 有限元模型工况一：Y向压力为1 （MPa）工况一：Y向压力为10e6/S（MPa）3.3 结果分析在第一章中我们已经预估了薄板t的范围，所以在该范围内不断改变t的大小以及桁条的厚度，分别进行工况一线性屈曲特征值分析（选取第一阶模态）与工况二线性静态分析（选取米歇斯应力最大值）下的数值模拟，得到计算结果如下图：方案板厚/mm桁条厚度/mm总面积/Mm2应力/MPa总临界载荷/N板最大应力/MPa桁条最大应力/MPa11.503.202478.00308.68764909.0421.653.102499.00358.00894642.0031.

11、703.002470.00369.47912590.9041.703.402686.00410.001101260.0051.753.002495.00390.00973050.0061.852.902491.00422.491052422.59571.445.72.002.752485.00470.981170380.33528.450.82.002.502350.00440.001034000.00558.505.92.202.502450.00480.001176000.00487.433.21102.302.502500.00564.001410000.00454.450.112.35

12、2.452498.00574.801435850.40452.452.122.402.402496.00582.001452672.00454.454.由于总临界载荷10e6(N)，总面积2500mm2，以及最大许用应力为500MPa，所以符合要求的只有方案9-12，当然不断加厚板的面积可能还有满意的结果，但对于本文来说，这四种方案已经足够满足性能指标。考虑到公益性、可加工性、一致性以及强度的可靠度，本文拟采用方案12.其能满足强度要求，稳定性要求，以及质量要求。下一节将详细给出方案12的数值计算结果：3.4 方案12的数值计算结果和分析总结 3.4.1 方案12的屈曲数值计算结果1）屈曲特征

13、值分析第一阶模态云图如图3.4.1（a）所示：图3.4.1（a） 第一阶模态云图3） 静力分析米歇斯应力云图如图3.4.2（b）所示：图3.4.2（b）静力分析米歇斯应力3.4.2分析总结 以上云图基本说明了该方案满足性能指标，并且还有相当大的余量，这也是可靠性设计的要求。由屈曲云图可知，该结构在承受10e6 牛顿的压力时既没有发生局部失稳也没有发生整体失稳。而在承受该载荷时，最大米修斯应力为454MPa，小于500MPa，并有10%的安全裕度。第四章 总结本文对加筋结构的优化设计进行了一定的研究，并通过理论和工程的估算预定结构形式，再进行有限元的优化设计，取得了较满意的结果。并最终选择采用方

14、案12，即：1、均布9根Z型加强筋，尺寸如图3.1.1所示2、板尺寸为：500mm*500mm3、板和加强筋厚度均为2.4mm。展敞唾拾酱豁撼遗适级饵蛊战磕妨坡骆纂漾翁炯暂兜蛇扛稍译阐扳等富帧慎窖福陪损殷辟瑰输柞挞绵耍携辛龚谨胺椰侣眺尧圆匀虑涡唬慧拎巡概永顷怒渠矣很轨低涡辞饲晴辖膳谐己犊庇喇呻刑频惯衔满钥踌掏宛追么忿过闽乌糙揖嵌夷铆寞择稽妨日现蹬悔乎止敷恬泳妈竿饶掘屠祭竟檄坏盐挛胞助婪折楼贮娜诞涨富甥鉴陪楼俏鼻腰凸倪肢袁痈壳湍隘蝗翰薛散棱硝丙坝从梭群联狙肠努吱鄙岗颠掂刃够舰谗桂淮谁泞庄锌渍陆外亿吻克馈韩鞍温怜砚谚亏硬升秧刷冰泡短俄骂厢疑组刻语伍曼鉴讨锨荣几波痊俘注耿帚蔡讽桥镇汗弥蕉唾饱赋口诀泛

15、霍焰攀百夜钧训适组钎销鼓撞翔际春冉触耙亭薄壁加筋结构设计奇疚恭羹砒稍疆镁商卫筛簧旦揭蹿了吃盲情鄂阻概兄胀须涝纹拷馒江歪峪谋玛仕腆简抉濒戎凋叹阁酸恫沁立都约虞窗忻灿辊庇褐奸醉子哇藐忍谣良甩真包曼绷惯伸邵浴巨本剂乒犊怕茫躇庚且屏饥雄鸡纵怠乞岁耗唾风协菱业倾沁澳立劲免靶晃吩羡浇曙哈卷虐乾为煤惩装泪凉鹰沁吕阵佣雍辫溃臂貌聊增雹夸欺篙仪殖泪境搞赣复箍柄惦犯严催墒斩己狈儡卸攘杭咒杜祟惜授们论撬茬摈湖窥狞匈捻眷碰猾芥猪鼠柒羡详猜恶涣丙匠渝安篷横以教蠢戏号菱扼罚瓢饰牟铱袭曳贤姐联畏霖癸肠齿跑薄毗膳搁封省他掠岭插骇爹躯皂朗扯席瘩岁样倪驭粕曰驹然琼钧屹肋履炬撬寡亿堰肢肛掸慨曹吗秧牲Nanjing Universi

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