薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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工程結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用作業(yè)

薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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摘要 薄壁加筋結(jié)構(gòu)是航空、造船以及土木工程領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的一種結(jié)構(gòu)構(gòu)件形式,而其自身的結(jié)構(gòu)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)量要求也是本文重要的設(shè)計(jì)指標(biāo)。本文利用大型通用的有限元軟件PATRAN設(shè)計(jì)了一種薄壁加筋結(jié)構(gòu)，較好的滿足了問題要求的性能指標(biāo)。關(guān)鍵字：數(shù)值模擬屈曲分析薄壁加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目錄HYPERLINK”F：\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立。doc”\l”_Toc294667226”摘要 1TOC\h\z\t"一級(jí)標(biāo)題，1,二級(jí)標(biāo)題，2，三級(jí)標(biāo)題，3”HYPERLINK"F:\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立。doc"\l"_Toc294667226”第一章薄壁加筋結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ) 3HYPERLINK”F:\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立。doc"\l"_Toc294667227”1。1薄板的臨界失穩(wěn)載荷計(jì)算 3HYPERLINK”F：\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立.doc"\l"_Toc294667228"1。2薄壁桿的局部失穩(wěn)和總體失穩(wěn) 41.3加筋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析理論 4HYPERLINK"F：\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立.doc”\l”_Toc294667234”第二章加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及思路簡(jiǎn)介 5HYPERLINK"F：\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立。doc"\l”_Toc294667235”2。1加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求 5HYPERLINK"F:\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立.doc”\l”_Toc294667238"2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路 5HYPERLINK"F:\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立.doc”\l”_Toc294667239”2。2.1設(shè)計(jì)要求分析 5HYPERLINK"F：\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立。doc”\l"_Toc294667240”2.2。2屈曲分析理論估算 5HYPERLINK”F：\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立.doc"\l”_Toc294667241"2.3分析總結(jié) 6HYPERLINK”F：\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立。doc”\l”_Toc294667244”第三章薄壁加筋結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及結(jié)果分析 7HYPERLINK”F：\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立。doc"\l”_Toc294667245”3。1初步確定模型 7HYPERLINK"F:\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立.doc”\l”_Toc294667252"3。2建立模型 7HYPERLINK"F:\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立。doc”\l”_Toc294667256"3。3結(jié)果分析 8HYPERLINK”F:\\bianfenyuanli\\fineiteelementanalysis陳海立.doc”\l”_Toc294667245"3。4方案12的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和分析總結(jié) 9HYPERLINK"F:\\bianfenyuanli\\fineiteelementanalysis陳海立。doc”\l”_Toc294667246”3。4.1方案12的屈曲數(shù)值計(jì)算結(jié)果 9HYPERLINK"F:\\bianfenyuanli\\fineiteelementanalysis陳海立.doc"\l"_Toc294667248"3。4。2分析總結(jié) 10HYPERLINK”F:\\STRUCTUREANALYSISIENGERING\\fineiteelementanalysis陳海立.doc"\l”_Toc294667257"第四章總結(jié) 10

第一章薄壁加筋結(jié)構(gòu)的理論基礎(chǔ)薄板的臨界失穩(wěn)載荷計(jì)算如下圖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(jiǎn)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薄板受力示意圖以下給出K值的取值及其邊界條件支持情況系數(shù)k值四邊簡(jiǎn)支四邊固支三邊簡(jiǎn)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，常見的有以下幾種加筋型材，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)算公式如下:薄壁桿件的總體失穩(wěn)：其中薄壁桿件的局部失穩(wěn)

1.3加筋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性分析理論 加筋結(jié)構(gòu)示意圖如下：

Fig1.3。1加筋結(jié)構(gòu)示意圖加筋板件所能承受的最大總載荷為：

其中，,

第二章加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求及思路簡(jiǎn)介 本章主要根據(jù)設(shè)計(jì)要求，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)的范圍和具體的結(jié)構(gòu)形式。2。1加筋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要求:1、結(jié)構(gòu)承受單向壓縮載荷，壓縮載荷>1.0×106N2、結(jié)構(gòu)的受載邊長(zhǎng)不得小于500mm，結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)度大于500mm3、材料彈性模量為70000N/mm2密度為2。8×10－6kg/mm34、受壓結(jié)構(gòu)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、結(jié)構(gòu)的許用應(yīng)力小于500MPa6、結(jié)構(gòu)重量<0.007kg/mm（單位長(zhǎng)度）

2。2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思路 本節(jié)主要分析設(shè)計(jì)要求,并就設(shè)計(jì)要求做一定的模型簡(jiǎn)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)要求分析上述材料已給定，不需另外設(shè)計(jì).而結(jié)構(gòu)的大小取最低要求，即為板長(zhǎng)寬為500mm＊500mm.此時(shí)考慮質(zhì)量要求和強(qiáng)度要求可得: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。明顯不滿足要求，所以必須加筋。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,故本文只給出以下幾種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左右的范圍是可靠的，加筋為9-10根，臨界應(yīng)力在300—500MPa之間。加筋形式初選為L(zhǎng)型和Z型(如下圖2。2。2所示）,和壁板用鉚釘連接，共同承壓。

Fig2.2。2左為L(zhǎng)型,右為Z型

第三章薄壁加筋結(jié)構(gòu)數(shù)值模擬及結(jié)果分析3。1初步確定模型：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，所以選擇抗屈曲穩(wěn)定性膠高的Z型桁條。預(yù)置加筋數(shù)量為9根，相關(guān)結(jié)構(gòu)如圖3。1。1所示:

圖3.1.1結(jié)構(gòu)示意圖3。2建立模型由于該結(jié)構(gòu)為薄壁加筋結(jié)構(gòu)，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)置簡(jiǎn)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為該結(jié)構(gòu)的截面積。模型如下圖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結(jié)果分析在第一章中我們已經(jīng)預(yù)估了薄板t的范圍，所以在該范圍內(nèi)不斷改變t的大小以及桁條的厚度，分別進(jìn)行工況一線性屈曲特征值分析（選取第一階模態(tài)）與工況二線性靜態(tài)分析（選取米歇斯應(yīng)力最大值）下的數(shù)值模擬,得到計(jì)算結(jié)果如下圖：

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，所以符合要求的只有方案9—12，當(dāng)然不斷加厚板的面積可能還有滿意的結(jié)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)度要求，穩(wěn)定性要求，以及質(zhì)量要求.下一節(jié)將詳細(xì)給出方案12的數(shù)值計(jì)算結(jié)果：

3。4方案12的數(shù)值計(jì)算結(jié)果和分析總結(jié)3。4。1方案12的屈曲數(shù)值計(jì)算結(jié)果1)屈曲特征值分析第一階模態(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)以上云圖基本說明了該方案滿足性能指標(biāo)，并且還有相當(dāng)大的余量,這也