CN102937396A - 一种双尺度网格加筋柱壳结构 - Google Patents

一种双尺度网格加筋柱壳结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及航空航天结构主承力构件制造技术领域，公开了一种双尺度网格加筋柱壳结构，是在传统网格加筋结构的小尺度筋上布置大尺度筋，布置方式为：在环向和轴向，每隔若干个小尺度筋放置一个大尺度筋；从而形成大尺度筋与小尺度筋交错分布的格局。本发明通过在传统网格加筋结构上布置大尺度筋的方式，提高了传统网格加筋柱壳的缺陷鲁棒性，在微幅缺陷时不会产生较大的极限承载力折减，同时随着缺陷幅度的增加，极限承载力逐步收敛于某一定值。大尺度筋和小尺度筋的数量、截面高度、截面宽度可根据结构的直径、长度等指标由数值优化方法确定。本发明加工工艺简单，适合大规模量产。

Description

一种双尺度网格加筋柱壳结构
技术领域
本发明属于航空航天结构主承力构件制造技术领域，涉及网格加筋结构的实际承载能力问题，特别涉及一种双尺度网格加筋柱壳结构，本发明能够改善缺陷对网格加筋结构承载能力折减的结构形式。
背景技术
运载火箭的运载能力，即运载火箭的有效载荷，是其设计中十分重要的一个方面。减轻运载火箭箭体的重量，可达到增加有效载荷的目的，减轻箭体结构舱段的重量对提高运载火箭的有效载荷作用非常明显，同时结构轻量化设计对减少发射成本有着显著的意义。箭体结构舱段其结构由前底、壳段、后底组成，其中壳段由壁板焊接组成，壁板的重量直接影响箱体的重量。为提高壁板的强度、减轻壁板的重量，壁板往往设计成网格加筋结构。目前的运载火箭主承力结构中有80%的箭体结构舱段是网格加筋结构。
运载火箭中箭体结构主要承受的是箭体相邻部段的反作用力，即作用在舱段上的是弯矩、轴向力和剪力，在计算过程中常常将弯矩等效为轴向力，而剪力因远小于轴向力不予考虑。在以上载荷作用下，箭体结构的简化模型为轴压网格加筋圆柱壳。
整体稳定性为控制网格加筋结构安全度的主要因素，因此轴压临界失稳载荷是此类结构的主要设计目标。然而针对理想数值模型计算的极限承载力（非线性后屈曲分析）一般均高于试验得到的临界载荷，这是因为数值计算中没有针对性的考虑结构夹杂、焊接和滚弯导致的残余应力、截面不圆度、壁厚一致性、轴线不直等物理和几何缺陷。这些缺陷称之为初始缺陷。初始缺陷对结构轴压临界失稳载荷的影响就是薄壁结构的稳定性问题。为了表征初始缺陷对网格加筋圆柱壳的影响程度，折减因子的概念被引入。折减因子表示含有初始缺陷的网格加筋圆柱壳与完美网格加筋圆柱壳的轴压临界失稳载荷之比。折减因子在0-1间取值。折减因子的值越高，表示结构对初始缺陷的敏感性越小。因此折减因子反映了结构的稳定性。合理的网格加筋圆柱壳要求具有较高的稳定性。这便是设计网格加筋圆柱壳的核心问题。
为了得到高稳定性的网格加筋圆柱壳结构，大量的数值计算和实验验证被应用到实际的设计中来。例如，Waddy T. Haynie 和Mark W. Hilburger在会议文献“Comparison of Methods to Predict Lower Bound Buckling Loads of Cylinders under Axial Compression”中研究了正置正交网格加筋圆柱壳在模态缺陷，集中力缺陷，无应力的凹坑缺陷三种缺陷对结构的稳定性的影响。NASA 的Glenn A. Hrinda在“Effents of Shell-Buckling Knonckdown Factors in Large Cylindrical Shells”中研究了圆柱壳对多种初始缺陷的敏感性。虽然验证了网格加筋结构对初始缺陷的鲁棒性，但是这些研究更多的是针对不同的缺陷形式，几乎没有探索提高鲁棒性的网格加筋形式。基于不同的网格加筋形式来提高结构的鲁棒性的思路有着广阔的空间。
经过对不同尺寸网格加筋柱壳的后屈曲缺陷敏感性分析，考虑结构最容易激发出的一阶模态缺陷。结果表明光筒壳结构的缺陷鲁棒性极差，微幅缺陷即可引起结构极限承载力的大幅折减，随着缺陷幅度的增加，极限承载力几乎为线性降低；为光筒壳结构布置稀疏筋条后，微幅缺陷下结构鲁棒性较高，但随着缺陷幅度的增加，极限承载力线性降低；为光筒壳结构布置密筋条后，微幅缺陷下结构极限承载力仍出现大幅折减，但随着缺陷幅度的增加，极限承载力收敛于某一定值。而实际结构中，微幅缺陷是最容易发生，也是最不容易检测出的，因此结构对于微幅缺陷是否敏感是结构性能的一项重要指标。同时，随着缺陷幅度的增加，结构极限承载力的折减是否收敛也是不容忽视的结构安全指标。
综上所述，目前有必要提出一种双尺度网格加筋结构，从而改善结构对缺陷的敏感性，在微幅缺陷时不会产生较大的极限承载力折减，同时随着缺陷幅度的增加，极限承载力逐步收敛，这样可以为结构的轻量化设计奠定基础。
发明内容
本发明的目的：为解决传统网格加筋结构对缺陷的敏感性，尤其是微小缺陷引起的结构承载能力的大幅损失，提供一种双尺度网格加筋柱壳结构。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：提供了一种双尺度网格加筋柱壳结构，是在传统网格加筋结构的小尺度筋7上布置大尺度筋8，布置方式为：在环向和轴向，每隔若干个小尺度筋7放置一个大尺度筋8；从而形成大尺度筋8与小尺度筋7交错分布的格局。大尺度筋和小尺度筋的数量、截面高度、截面宽度可根据结构的直径、长度等指标由数值优化方法确定。
其中，所述大尺度筋8的截面高度大于小尺度筋7的截面高度，大尺度筋8的截面宽度大于、等于或小于小尺度筋7的截面宽度。
其中，所述大尺度筋8的截面采用矩形、T形或组合截面。
其中，所述一种双尺度网格加筋柱壳结构采用分区进行加工，加工完成后结构在微幅缺陷时不会产生较大的极限承载力折减，同时随着缺陷幅度的增加，极限承载力逐步收敛于某一定值。
有益效果：本发明通过在传统网格加筋结构上布置大尺度筋的方式，提高了传统网格加筋柱壳的缺陷鲁棒性，在微幅缺陷时不会产生较大的极限承载力折减，同时随着缺陷幅度的增加，极限承载力逐步收敛于某一定值。大尺度筋和小尺度筋的数量、截面高度、截面宽度可根据结构的直径、长度等指标由数值优化方法快速确定。本发明加工工艺简单，适合大规模量产。
附图说明
图1为本发明与其他三种网格加筋密度缺陷敏感性的示意图。
图2为本发明一种双尺度网格加筋柱壳结构示意图。
图3为本发明一种双尺度网格加筋柱壳结构的局部放大示意图。
图4为本发明截面（大尺度筋截面宽度大于小尺度筋截面宽度）的示意图。
图5为本发明截面（大尺度筋截面宽度小于小尺度筋截面宽度）的示意图。
图6为本发明截面（大尺度筋截面宽度等于小尺度筋截面宽度）的示意图。
图7为本发明截面（大尺度筋截面形状为T形截面）的示意图。
附图标识：1-圆柱壳蒙皮截面；2-小尺度筋截面；3-大尺度筋截面Ⅰ；4-大尺度筋截面Ⅱ；5-大尺度筋截面Ⅲ；6-T形大尺度筋截面，7-小尺度筋，8-大尺度筋。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明是一种双尺度网格加筋柱壳结构，是在传统网格加筋结构的小尺度筋7上布置大尺度筋8，布置方式为：在环向和轴向，每隔若干个小尺度筋7放置一个大尺度筋8；从而形成大尺度筋8与小尺度筋7交错分布的格局。
其中，所述大尺度筋8的截面高度大于小尺度筋7的截面高度，大尺度筋8的截面宽度大于、等于或小于小尺度筋7的截面宽度。
其中，所述大尺度筋8的截面采用矩形、T形或组合截面。
其中，所述一种双尺度网格加筋柱壳结构采用分区进行加工，加工完成后结构在微幅缺陷时不会产生较大的极限承载力折减，同时随着缺陷幅度的增加，极限承载力逐步收敛于某一定值。
本发明中大尺度筋和小尺度筋的数量、截面高度、截面宽度可根据结构的直径、长度等指标由数值优化方法确定。本发明可采用化学铣切或机械铣切的方式对网格加筋结构进行分区加工，即对大尺度筋和小尺度筋分别加工完成。大尺度筋的宽度可以与原有结构的筋条宽度不等（通过对大尺度筋宽度的控制，可以实现与传统设计等重，甚至减重），而高度比原有设计的高度更高，小尺度筋的宽度可比原有设计略小，用以抵消引入大尺度筋的附加重量。
实施方式可分为3个步骤：
首先，加工出大尺度筋，每个大尺度筋在环向和轴向均间隔整数个小尺度筋，其余部分铣切至小尺度筋高度处。
然后，对大尺度筋围成的每个子区域进行加工，将每个小尺度筋围成的区域铣切至蒙皮厚度处，进而加工出小尺度筋，这样就形成了大尺度筋与小尺度筋交错分布的格局。
最后，将加工好的结构滚弯成型，并采用搅拌摩擦焊等方式焊接对接处，即可完成双尺度网格加筋柱壳的加工。
以上内容是结合优选技术方案对本发明所做的进一步详细说明，不能认定发明的具体实施仅限于这些说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以做出简单的推演及替换，都应当视为本发明的保护范围。  

Claims (3)

1.一种双尺度网格加筋柱壳结构，其特征在于，所述一种双尺度网格加筋柱壳结构是在传统网格加筋结构的小尺度筋（7）上布置大尺度筋（8），布置方式为：在环向和轴向，每隔若干个小尺度筋（7）放置一个大尺度筋（8）；从而形成大尺度筋（8）与小尺度筋（7）交错分布的格局。
2.根据权利要求1所述的一种双尺度网格加筋柱壳结构，其特征在于，所述大尺度筋（8）的截面高度大于小尺度筋（7）的截面高度，大尺度筋（8）的截面宽度大于、等于或小于小尺度筋（7）的截面宽度。
3.根据权利要求1所述的一种双尺度网格加筋柱壳结构，其特征在于，所述大尺度筋（8）的截面采用矩形、T形或组合截面。
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