论文总字数：21541字

摘 要

薄壁加筋壳体结构因为有很好的比强度和比刚度而被广泛运用在现代火箭的结构设计中。火箭在发射阶段壳体主要受轴向压缩作用，轴向压缩作用下失稳破坏往往先于强度破坏，所以结构临界承载力分析成为结构设计中的突出问题。

目前研究结构后屈曲行为主要有弧长法，隐式动力学法，显式动力学三种方法。弧长法需要足够小的步长模拟失稳路径，这就会影响计算效率。隐式动力学法要求整体刚度矩阵不能奇异。显式动力学法不需要求逆，没有收敛性问题，因此在三种方法中有较大优势。

通过使用显式动力学法分析比较单元尺寸和加载时间对光滑圆柱壳和加筋圆柱壳的计算结果的影响。得出光滑圆柱壳的计算结果对单元尺寸和加载时间依赖性很小，加筋圆柱壳的计算结果对单元尺寸依赖性强对加载时间依赖性小，但是单元尺寸和加载时间都会对计算时间产生很大影响。最后考虑筋条截面尺寸和蒙皮厚度对临界载荷的影响，蒙皮厚度分别取1mm，3mm，5mm，筋条尺寸分别选择高宽比为3，5，7，9，11。得出筋条截面高宽比在7-11之间结构有较优的承载力，而增加蒙皮厚度结构临界承载力有了显著提高。

关键词：光滑圆柱薄壳，加筋圆柱壳，后屈曲

Abstract

Thin walled stiffened shell structures are widely used in the structural design of modern rockets because of their good specific strength and specific stiffness.The shell of a rocket is mainly subjected to axial compression at the launching stage, and the instability failure is often preceded by the strength failure under axial compression, so the critical bearing capacity analysis of the structure becomes a prominent problem in the structure design.

At present, there are three methods for studying the post buckling behavior of structures, including arc length method, implicit dynamics method and explicit dynamics method.The arc length method requires a small step size to simulate the instability path, which will affect the computation efficiency.The implicit dynamics method requires that the global stiffness matrix can not be singular.Explicit dynamics method does not require inversion and has no convergence problem. Therefore, it has great advantages in the three methods.

The influence of cell size and loading time on the calculation results of smooth cylindrical shells and stiffened cylindrical shells is analyzed and compared by explicit dynamics method.The calculation results of the smooth cylindrical shell have little dependence on the size of the unit and the loading time. The calculated results of the stiffened cylindrical shell have little dependence on the loading time, but the element size and loading time will have a great influence on the calculation time.Finally, the thickness of the bar section and the thickness of the skin on the critical load are taken into consideration. The thickness of the skin is 1mm, 3mm, 5mm, and the ratio of height to width is 3, 5, 7, 9, 11 respectively. It is concluded that the structure has a better bearing capacity between the height and width ratio of the rib section and 7-11, while the critical bearing capacity of the structure with the increase of skin thickness has been significantly improved.

Key words: Smooth cylindrical thin shell, stiffened cylindrical shell, post-buckling

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1 工程研究背景 1

1.2 薄壁壳体结构稳定性理论的发展 1

1.3 薄壁壳体结构失稳有限元发展 2

1.4 文章研究内容概述 4

第二章 后屈曲理论分析方法介绍 5

2.1 弧长法 5

2.2 隐式动力学 6

2.3 显式动力学 7

2.4 小结 8

第三章 光滑圆柱壳轴压承载力研究 10

3.1 一致模态缺陷法 10

3.2 非线性显式动力学法 13

3.3 小结 14

第四章 正交加筋圆柱壳屈曲分析 15

4.1 加筋格栅的类型及优点 15

4.2 格栅加筋结构建模 16

4.3 单元尺寸和加载时间的影响 16

4.3.1 单元尺寸改变对结果的影响 17

4.3.2 加载时间改变对结果的影响 17

4.4 正交加筋圆柱壳结构后屈曲分析 18

4.5 章节小结 27

第五章 总结与展望 28

5.1 研究内容总结 28

5.2 工作展望 28

致谢 29

参考文献 30

绪论

工程研究背景

20世纪60年代我国的运载火箭事业开始起步，到目前为止，已经拥有了从长征一号到长征四号4个系列共十多个型号，并且预计长征五号乙火箭于2019年首飞，。随着未来中国天宫空间站、探月工程等重大科技专项的展开，与之配套的长征五号火箭的研发也提上了日程。研制新型的大型运载火箭已经成为我国未来航天火箭发展的趋势，在研制运载火箭的过程中，对火箭箭体的临界承载力的计算尤为重要。

薄壁加筋结构由于有较高的比强度和比刚度被广泛应用到舰体结构舱段中。有数据显示80%的运载火箭结构舱段都是采用由桁条和框加强过的薄壁壳体结构。火箭在发射阶段箭体的加筋柱壳主要承受轴向压缩作用，结构的轴压失稳往往在强度破坏前发生，所以在结构设计时加筋壳体轴压后屈曲失稳成为影响结构承载力的主要问题。所以，对结构进行后屈曲承载力分析在结构设计中尤为重要，因此在现有的三种分析后屈曲方法，五种格栅加筋结构中寻找出最合适的分析方法有具有最有效承载力加筋结构显得特别重要。

薄壁壳体结构稳定性理论的发展

薄壳结构主要承受轴向压缩作用，屈曲是结构的主要破坏形式，所以，对薄壁圆柱壳稳定性的研究一直没有停止。早期的研究人员发现结构的线性屈曲理论值与实际值之间相差甚大，实验值只有理论值的1/5-1/2。为了研究数值差异问题又推动了近代弹性稳定理论的发展。随着研究人员对壳体稳定理论更深入的研究渐渐衍生出了近代稳定性理论的三个分支：非线性大挠度理论，初始后屈曲理论，非线性前屈曲一致理论，壳体稳定性理论成为了近代力学的一项重要分支。

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