薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

QuestionNO.考題三工程構(gòu)造分析應(yīng)用作業(yè)薄壁加筋構(gòu)造設(shè)計(jì)NameStudentNo.CollegeProfessionEmailAddressMobileNO.摘要 薄壁加筋構(gòu)造是航空、造船以及土木工程領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的一種構(gòu)造構(gòu)件形式，而其本身的構(gòu)造特點(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)量規(guī)定也是本文重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。本文運(yùn)用大型通用的有限元軟件PATRAN設(shè)計(jì)了一種薄壁加筋構(gòu)造，較好的滿足了問題規(guī)定的性能指標(biāo)。核心字：數(shù)值模擬屈曲分析薄壁加筋構(gòu)造設(shè)計(jì)目錄\l"_Toc"第一章薄壁加筋構(gòu)造的理論基礎(chǔ) 3\l"_Toc"1.1薄板的臨界失穩(wěn)載荷計(jì)算 3\l"_Toc"1.2薄壁桿的局部失穩(wěn)和總體失穩(wěn) 41.3加筋構(gòu)造的穩(wěn)定性分析理論 4\l"_Toc"第二章加筋構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定及思路介紹 5\l"_Toc"2.1加筋構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定 5\l"_Toc"2.2構(gòu)造設(shè)計(jì)思路 5\l"_Toc"2.2.1設(shè)計(jì)規(guī)定分析 5\l"_Toc"2.2.2屈曲分析理論估算 5\l"_Toc"2.3分析總結(jié) 6\l"_Toc"第三章薄壁加筋構(gòu)造數(shù)值模擬及成果分析 7\l"_Toc"3.1初步擬定模型 7\l"_Toc"3.2建立模型 7\l"_Toc"3.3成果分析 8\l"_Toc"3.4方案12的數(shù)值計(jì)算成果和分析總結(jié) 9\l"_Toc"3.4.1方案12的屈曲數(shù)值計(jì)算成果 9\l"_Toc"3.4.2分析總結(jié) 10\l"_Toc"第四章總結(jié) 10第一章薄壁加筋構(gòu)造的理論基礎(chǔ)薄板的臨界失穩(wěn)載荷計(jì)算以下圖1.1.1所示，一方板在X軸方向受均勻拉應(yīng)力σ的作用，為簡要起見，僅給出理論公式及其邊界條件，推導(dǎo)過程省略。圖1.1.1薄板受力示意圖下列給出K值的取值及其邊界條件支持狀況系數(shù)k值四邊簡支四邊固支三邊簡支，與載荷平行一邊自由薄壁桿的局部失穩(wěn)和總體失穩(wěn)如圖1.2.1所示，常見的有下列幾個(gè)加筋型材，也就是薄壁桿件：Fig1.2.1薄壁桿件示意圖查參考書可得，失穩(wěn)載荷計(jì)算公式以下：薄壁桿件的總體失穩(wěn)：其中薄壁桿件的局部失穩(wěn)1.3加筋構(gòu)造的穩(wěn)定性分析理論 加筋構(gòu)造示意圖以下：Fig1.3.1加筋構(gòu)造示意圖加筋板件所能承受的最大總載荷為：其中，，第二章加筋構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定及思路介紹 本章重要根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)定，提出設(shè)計(jì)思路，并作一定的理論計(jì)算，為下一章的數(shù)值模擬提供參數(shù)設(shè)計(jì)的范疇和具體的構(gòu)造形式。2.1加筋構(gòu)造設(shè)計(jì)規(guī)定：1、構(gòu)造承受單向壓縮載荷，壓縮載荷>1.0×106N2、構(gòu)造的受載邊長不得不大于500mm，構(gòu)造的長度不不大于500mm3、材料彈性模量為70000N/mm2密度為2.8×10－6kg/mm34、受壓構(gòu)造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、構(gòu)造的許用應(yīng)力不大于500MPa6、構(gòu)造重量<0.007kg/mm（單位長度）

2.2構(gòu)造設(shè)計(jì)思路 本節(jié)重要分析設(shè)計(jì)規(guī)定，并就設(shè)計(jì)規(guī)定做一定的模型簡化，應(yīng)用第一章理論進(jìn)行一定的估算和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。2.2.1設(shè)計(jì)規(guī)定分析上述材料已給定，不需另外設(shè)計(jì)。而構(gòu)造的大小取最低規(guī)定，即為板長寬為500mm*500mm.此時(shí)考慮質(zhì)量規(guī)定和強(qiáng)度規(guī)定可得：截面積最大為2500mm2等效厚度為5mm最大承載均布?jí)毫?00MPa最大承載壓縮載荷為1.25e-6N2.2.2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)σcr=20.49MPa，Pcr=92.24MPa。明顯不滿足規(guī)定，因此必須加筋。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t<1或t>3.5時(shí)，該臨界載荷參考性較低，故本文只給出下列幾個(gè)厚度板的臨界隨加緊數(shù)量的變化：Fig2.2.1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2—2.5左右的范疇是可靠的，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（以下圖2.2.2所示），和壁板用鉚釘連接，共同承壓。Fig2.2.2左為L型，右為Z型第三章薄壁加筋構(gòu)造數(shù)值模擬及成果分析3.1初步擬定模型：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，因此選擇抗屈曲穩(wěn)定性膠高的Z型桁條。預(yù)置加筋數(shù)量為9根，有關(guān)構(gòu)造如圖3.1.1所示：圖3.1.1構(gòu)造示意圖3.2建立模型由于該構(gòu)造為薄壁加筋構(gòu)造，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)立簡支邊界條件，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Y向壓力為1MPa，加載2為10e6/S（MPa）,其中S為該構(gòu)造的截面積。模型以下圖3.2.1所示：圖3.2.1有限元模型工況一：Y向壓力為1（MPa）工況一：Y向壓力為10e6/S（MPa）3.3成果分析在第一章中我們已經(jīng)預(yù)估了薄板t的范疇，因此在該范疇內(nèi)不停變化t的大小以及桁條的厚度，分別進(jìn)行工況一線性屈曲特性值分析（選用第一階模態(tài)）與工況二線性靜態(tài)分析（選用米歇斯應(yīng)力最大值）下的數(shù)值模擬，得到計(jì)算成果以下圖：方案板厚/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/MPa11.503.202478.00308.68764909.0421.653.102499.00358.00894642.0031.703.002470.00369.47912590.9041.703.402686.00410.001101260.0051.753.002495.00390.00973050.0061.852.902491.00422.491052422.59571.445.72.002.752485.00470.981170380.33528.450.82.002.502350.00440.001034000.00558.505.92.202.502450.00480.001176000.00487.433.21102.302.502500.00564.001410000.00454.450.112.352.452498.00574.801435850.40452.452.122.402.402496.00582.001452672.00454.454.由于總臨界載荷>10e6(N)，總面積<2500mm2，以及最大許用應(yīng)力為500MPa，因此符合規(guī)定的只有方案9-12，固然不停加厚板的面積可能尚有滿意的成果，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)度規(guī)定，穩(wěn)定性規(guī)定，以及質(zhì)量規(guī)定。下一節(jié)將具體給出方案12的數(shù)值計(jì)算成果：3.4方案12的數(shù)值計(jì)算成果和分析總結(jié)3.4.1方案12的屈曲數(shù)值計(jì)算成果1）屈曲特性值分析第一階模態(tài)云圖如圖3.4.1（a）所示：圖3.4.1（a）第一階模態(tài)云圖靜力分析米歇斯應(yīng)力云圖如圖3.4.2（b）所示：圖3.4.2（b）靜力分析米歇斯應(yīng)力 3.4.2分析總結(jié)以上云圖基本闡明了該方案滿足性能指標(biāo)，并且尚有相稱大的余量，這也是可靠性設(shè)計(jì)的規(guī)定。由屈曲云圖可知，該構(gòu)造在承受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