摘要：为了提高运载火箭等航天装备结构的承载效率,实现航天薄壁筒壳结构的轻量化和精细化设计,以具有强缺陷敏感性的航天薄壁筒壳结构为研究对象,开展了面向缺陷容忍的加筋筒壳结构优化设计。通过在设计过程中考虑结构设计与临界失稳载荷和结构缺陷敏感性的耦合关系,同步提升结构的屈曲载荷和抗缺陷能力,实现筒壳结构的精细化和轻量化设计。并针对计及缺陷敏感性加筋筒壳单次分析耗时和优化效率低的问题,使用不完全折减刚度法(iRSM),替代非线性显式后屈曲算法进行非完善筒壳结构的承载能力分析,提出了一种面向缺陷容忍的加筋筒壳快速优化设计框架。以一个直径1.6 m的正置正交网格加筋筒壳结构作为算例进行说明,结果显示,相比初始设计,优化结果可在质量不变的前提下,实现设计载荷提升10%以上,有效提高航天加筋筒壳结构的承载效率;并且所提出的优化设计框架能在保证稳定找到优化结果的同时,降低计算成本80%以上,实现面向缺陷容忍加筋筒壳结构的高效优化设计。

摘要：缺陷敏感性是薄壁筒壳结构设计所面临的主要问题之一,通常利用折减因子来量化筒壳结构的缺陷敏感性程度.然而现有缺陷敏感性分析方法大多以预测筒壳折减因子下限为目的,未考虑不同形位公差水平对筒壳折减因子的影响.针对此问题,论文提出了一种考虑形位公差的薄壁筒壳折减因子预测方法.该方法基于多点最不利扰动载荷法进行最不利缺陷搜索,获得筒壳不同形位公差下的折减因子下限值,从而确定考虑形位公差的薄壁筒壳折减因子参考值,并利用不完全折减刚度法对计算过程进行加速.算例结果表明论文提出的筒壳折减因子预测方法可在保证安全可靠的前提下,有效提高折减因子预测精度,消除筒壳结构设计过程中不必要的安全裕度,对结构减重有积极意义.未来可基于该方法展开我国新一代航天结构薄壁筒壳折减因子设计规范的研究工作,进一步提高我国航天筒壳结构设计的精细化和轻量化水平.

摘要：为探究轴压下高筋筒壳结构承载潜力与构型参数分布规律,利用实验设计技术及代理模型加点优化方法,面向多种加筋构型开展了构型参数优化,并基于K-means聚类方法和斯皮尔曼相关性分析对具有高承载效率特征的结构构型参数分布规律开展了探究。结果表明,相比于低筋筒壳及蒙皮桁条筒壳结构,高筋筒壳结构的承载效率具有显著优势,对于正置正交加筋构型,提升幅度约为16.990%~54.741%;高筋筒壳结构的主要失效模式为强度主导的局部弹塑性屈曲,其承载主体为纵向筋条,蒙皮次之,而环向筋条对结构承载贡献较小,且增加纵向筋条数量对承载效率提升的作用最为显著。因此,为提升结构承载效率,高筋筒壳结构设计特征建议为“疏环筋、密纵筋”,筒壳半径与筋条高度的比值建议为55.8~133.0之间,筋条高度与蒙皮厚度的比值主要在2.3~4.0之间。相关研究可为下一代运载火箭主体结构选型及设计提供参考。