加筋殼體結構的優(yōu)化設計

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1、大連理工大學碩士研究生學位論文大連理工大學學位論文版權使用授權書本學位論文作者及指導教師完全了解“大連理工大學碩士、博士學位論文版權使用規(guī)定”，同意大連理工大學保留并向國家有關部門或機構送交學位論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權大連理工大學可以將本學位論文的全部或部分內容編入有關數(shù)據(jù)庫進行檢索，也可采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編學位論文。作者簽名：睦絲蘭新虢強趁私p生年竺月壚日大連理工大學碩士學位論文引言隨著科學技術的發(fā)展，越來越多的加筋殼體結構被廣泛地應用于工程領域，比如海洋平臺結構、壓力罐等，在高新技術工程領域也得到了較廣的運用，譬如航空、航天工業(yè)中的航天飛機、

2、運載火箭、飛船及衛(wèi)星等“1，另外在國防裝備中的各類導彈、潛艇中也大量應用了加筋殼體結構。加筋殼體結構與沒有加筋的殼體結構相比具有優(yōu)越的結構性能，平滑的外表面，較高的強度，良好的抗疲勞性能”，最重要的是重量低及結構性能佳．然而由于加筋殼體結構幾何構造復雜，加筋截面類型多樣化，加筋的布局設計多樣化，以及載荷和邊界條件較為復雜等原因，加筋殼體結構的有限元建模及相關分析都很繁瑣“)。并且結構的日益大型化、復雜化，影響其性能的設計參數(shù)越來越多，限制約束條件愈來愈苛刻和復雜，而與此同時性能要求卻越來越高“。所以，傳統(tǒng)的設計方法中，結構設計人員僅僅依靠原有的經(jīng)驗和專業(yè)知識來調整結構設計參數(shù)的做法，使得設計周

3、期大大增加，而且很難對眾多的設計參數(shù)進行正確的選擇”。由此所設計的結構往往不易達到設計要求：或者雖然滿足了設計要求，但在結構形式、材料使用等方面存在著不合理性和不經(jīng)濟性，結構的綜合性能不能達到理想狀態(tài)。因此，對該類型結構開展優(yōu)化設計研究，具有非常重要的意義。加筋殼體結構的一般分析方法Ⅲ有：均勻化法、近似分析法、有限條法、2維或3維有限單元法。關于加筋殼體結構的優(yōu)化設計工作還是非常有限的，并且加筋殼結構的最優(yōu)外形構造這個問題還未充分展開嘲。但是近年來，許多研究人員在此領域做出了貢獻。Maute和Ranm哪(1997)解決了設計模型在優(yōu)化過程中自適應的材料拓撲優(yōu)化問題；Magnucki刪(1998

4、)提出了圓筒的設計過程，這類結構的優(yōu)化幾何特性是以結構重量最小化為目標函數(shù)進行研究的；Belblidia91(1999)利用人工材料方法或SIMP方法、靈敏度分析以及序y,J--次規(guī)劃法研究了加筋板結構的拓撲和尺寸優(yōu)化設計；Giles“”(1999)提出了一個面向設計的分析方法。使用該方法能在飛機機身結構的初始設計階段應用等效板法進行設計。在該方法中，引用了里茨法和應變能方程組；Lee等人?(2000)提出了利用人造材料模型計算不規(guī)則材料密度分布的(非均勻)各向同性多層殼結構的關于拓撲優(yōu)化的一般方法論；Afonso等人“”(2000)提出了二級優(yōu)化方法，它首先進行加筋板結構的加筋環(huán)優(yōu)化，隨后進

5、行加筋的尺寸優(yōu)化，目標函數(shù)是應變能最小化，結構整體體積作為約束條件；Farkas和larmai“”(Z000)介紹了使靜水壓力加筋板成本最小化的分析方法，而Butler等人“町加筋殼體結構的優(yōu)化設計(2001)得出了該結構的力學性能和失效模態(tài)的實驗結果；Akl等人“”(2002)提出了水下加筋殼體結構的設計過程，為使加筋的間距以及尺寸最佳，使用了多目標優(yōu)化方法，目標函數(shù)是：殼結構振動最小化，相關的聲振最小化，環(huán)重量最小化以及結構成本最低化；Vitali等人“町(2002)利用近似分析程序PANDA2、有限元法和響應面方法提出了hat類型截面加筋層壓復合板的結構優(yōu)化的設計研究；Lamberti等

6、人“71(2003)也利用近似分析程序PANDA2完成了可復用運載火箭推進劑貯箱加筋板的初始優(yōu)化設計；Viljoen和Visser“”(2004)對有限元和幾何學方法關于薄壁板的屈曲效應的優(yōu)化設計的應用進行了討論；Lagaros等人嘲(2004)運用進化運算法則(遺傳算法)對如筋殼體結構的優(yōu)化設計進行了研究；Afonso“”(2005)把Belblidia(1999)的工作拓展到了殼體結構；Jarmai等人例(2006)研究了焊接正交網(wǎng)格加筋圓柱殼體結構的優(yōu)化設計工作，此優(yōu)化設計的約束函數(shù)表達形式為顯示約束，在優(yōu)化過程中運用了一些新的數(shù)學優(yōu)化方法；陳飆松等人“1(2007)發(fā)表了加筋貯箱結構的

7、優(yōu)化設計，目標函數(shù)是結構重量最小化，設計變量是筋條橫截面的寬度以及殼的厚度，約束條件是最大單元應力不超過材料的許用應力。以上介紹了關于加筋殼體結構優(yōu)化設計的各種方法。在本文中，根據(jù)前人們的工作，運用了在航空航天領域應用較為廣泛且具有代表性的美國MSC公司的大型有限元分析軟件MSC．Patran及MSC．Nastran，使用MSC．Ptaran進行結構的有限元模型的建立，并用前處理得到MSC．Nas