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1、Nanjing University of Aeronautics & Astronautics 工程结构分析应用 Question NO. 考题三 工程结构分析应用作业薄壁加筋结构设计Name Student No. College Profession Email AddressMobile NO.摘要薄壁加筋结构是航空、造船以及土木工程领域内广泛使用的一种结构构件形式，而其自身的结构特点决定其稳定性能时设计的首要指标，除此之外，强度和质量要求也是本文重要的设计指标。本文利用大型通用的有限元软件PATRAN设计了一种薄壁加筋结构，较好的满足了问题要求的性能指标。关键字：数值模拟 屈曲分析
2、薄壁加筋 结构设计目录摘要1第一章 薄壁加筋结构的理论基础31.1薄板的临界失稳载荷计算31.2薄壁杆的局部失稳和总体失稳41.3加筋结构的稳定性分析理论4第二章 加筋结构设计要求及思路简介52.1加筋结构设计要求52.2结构设计思路52.2.1设计要求分析52.2.2屈曲分析理论估算52.3分析总结6第三章 薄壁加筋结构数值模拟及结果分析73.1初步确定模型73.2 建立模型73.3结果分析83.4方案12的数值计算结果和分析总结93.4.1方案12的屈曲数值计算结果93.4.2分析总结10第四章 总结10第一章 薄壁加筋结构的理论基础1.1 薄板的临界失稳载荷计算 如下图1.1.1所示，一
3、方板在X轴方向受均匀拉应力的作用，为简要起见，仅给出理论公式及其边界条件，推导过程省略。图 1.1.1薄板受力示意图以下给出K值的取值及其边界条件支持情况系数k值四边简支 四边固支 三边简支，与载荷平行一边自由1.2 薄壁杆的局部失稳和总体失稳 如图1.2.1所示，常见的有以下几种加筋型材，也就是薄壁杆件： Fig 1.2.1 薄壁杆件示意图查参考书可得，失稳载荷计算公式如下：1） 薄壁杆件的总体失稳： 其中 2） 薄壁杆件的局部失稳 1.3加筋结构的稳定性分析理论 加筋结构示意图如下： Fig 1.3.1加筋结构示意图加筋板件所能承受的最大总载荷为：其中 ，第二章 加筋结构设计要求及思路简介
4、本章主要根据设计要求，提出设计思路，并作一定的理论计算，为下一章的数值模拟提供参数设计的范围和具体的结构形式。2.1 加筋结构设计要求：1、结构承受单向压缩载荷，压缩载荷1.0106 N2、结构的受载边长不得小于500mm，结构的长度大于500mm3、材料弹性模量为70000 N/mm2 密度为2.8106 kg/mm34、受压结构在压缩载荷作用下不许出现总体失稳和局部失稳5、结构的许用应力小于500MPa6、结构重量0.007kg/mm（单位长度）2.2 结构设计思路本节主要分析设计要求，并就设计要求做一定的模型简化，应用第一章理论进行一定的估算和经验设计。2.2.1 设计要求分析 上述材料
5、已给定，不需另外设计。而结构的大小取最低要求，即为板长宽为500mm*500mm.此时考虑质量要求和强度要求可得：1、 截面积最大为2500mm22、 等效厚度为5mm3、 最大承载均布压力为500MPa4、 最大承载压缩载荷为1.25e-6 N2.2.2 屈曲分析理论估算： 若该板不加筋，根据第一章中理论计算公式，可得t=5时cr=20.49MPa，Pcr=92.24MPa。明显不满足要求，所以必须加筋。应用第三章中的加筋板的屈曲理论，计算板的临界载荷随加筋数量的影响。由于t3.5时，该临界载荷参考性较低，故本文只给出以下几种厚度板的临界随加紧数量的变化： Fig 2.2.1板的临界载荷随厚
6、度和加筋数量的影响2.3 分析总结 有图可知，选定板的厚度为22.5左右的范围是可靠的，加筋为9-10根，临界应力在300-500MPa之间。加筋形式初选为L型和Z型（如下图2.2.2所示），和壁板用铆钉连接，共同承压。 Fig 2.2.2 左为L型，右为Z型第三章 薄壁加筋结构数值模拟及结果分析3.1 初步确定模型：在初步的数值模拟中，发现L型的抗屈曲性能明显弱于Z型，所以选择抗屈曲稳定性胶高的Z型桁条。预置加筋数量为9根，相关结构如图3.1.1所示： 图3.1.1 结构示意图3.2 建立模型由于该结构为薄壁加筋结构，故采用2D的SHELL单元来模拟薄板和桁条。共使用19089个节点以及20
7、600个单元。在薄板三边设置简支边界条件，即限定三个方向位移.另一边仅限制X和Z方向位移,加载1为Y向压力为1MPa，加载2为10e6/S（MPa）,其中S为该结构的截面积。模型如下图3.2.1所示： 图3.2.1 有限元模型工况一：Y向压力为1 （MPa）工况一：Y向压力为10e6/S（MPa）3.3 结果分析在第一章中我们已经预估了薄板t的范围，所以在该范围内不断改变t的大小以及桁条的厚度，分别进行工况一线性屈曲特征值分析（选取第一阶模态）与工况二线性静态分析（选取米歇斯应力最大值）下的数值模拟，得到计算结果如下图：方案板厚/mm桁条厚度/mm总面积/Mm2应力/MPa总临界载荷/N板最大
8、应力/MPa桁条最大应力/MPa11.503.202478.00308.68764909.0421.653.102499.00358.00894642.0031.703.002470.00369.47912590.9041.703.402686.00410.001101260.0051.753.002495.00390.00973050.0061.852.902491.00422.491052422.59571.445.72.002.752485.00470.981170380.33528.450.82.002.502350.00440.001034000.00558.505.92.202.5
9、02450.00480.001176000.00487.433.21102.302.502500.00564.001410000.00454.450.112.352.452498.00574.801435850.40452.452.122.402.402496.00582.001452672.00454.454.由于总临界载荷10e6(N)，总面积2500mm2，以及最大许用应力为500MPa，所以符合要求的只有方案9-12，当然不断加厚板的面积可能还有满意的结果，但对于本文来说，这四种方案已经足够满足性能指标。考虑到公益性、可加工性、一致性以及强度的可靠度，本文拟采用方案12.其能满足强度要
10、求，稳定性要求，以及质量要求。下一节将详细给出方案12的数值计算结果：3.4 方案12的数值计算结果和分析总结 3.4.1 方案12的屈曲数值计算结果1）屈曲特征值分析第一阶模态云图如图3.4.1（a）所示：图3.4.1（a） 第一阶模态云图3） 静力分析米歇斯应力云图如图3.4.2（b）所示：图3.4.2（b）静力分析米歇斯应力3.4.2分析总结 以上云图基本说明了该方案满足性能指标，并且还有相当大的余量，这也是可靠性设计的要求。由屈曲云图可知，该结构在承受10e6 牛顿的压力时既没有发生局部失稳也没有发生整体失稳。而在承受该载荷时，最大米修斯应力为454MPa，小于500MPa，并有10%
11、的安全裕度。第四章 总结本文对加筋结构的优化设计进行了一定的研究，并通过理论和工程的估算预定结构形式，再进行有限元的优化设计，取得了较满意的结果。并最终选择采用方案12，即：1、均布9根Z型加强筋，尺寸如图3.1.1所示2、板尺寸为：500mm*500mm3、板和加强筋厚度均为2.4mm。高效能学习的八大学习方法方法一：目 标 激 励法 成就天才的必备素质就是远大志向，明确目标，勤奋刻苦，持之以恒，百折不挠。作为一名学生，要想在学习的道路上一路高歌，战胜各科学习困难，在考试中脱颖而出，就必须树立远大的理想，制定明确的学习目标和切实可行的计划，在日常学习中勤奋苦学，孜孜不倦，持之以恒，面对学习中
12、上的挫折，百折不挠，勇往直前，并掌握一套正确的学习方法，科学合理地安排好自己的时间，只有这样，才能到达成功的理想彼岸。 方法二：统筹计划学习法正像建造楼房先要有图纸，打仗先要有部署一样，成功有效的学习也必须制定好一套切实可行的计划。所谓统筹计划学习法，就是学习者为达到一定的学习目标，根据主客观条件而制订学习步骤的一种学习方法。统筹计划学习法包括四个方面：一是学习目标，二是学习内容，三是时间安排，四是保证落实的措施。只有综合考虑这四个方面，才能订出切实可行的规划。同时计划要因人而异，因事而异，并根据执行情况，适当及时调整。方法三：兴趣引导法使学习兴趣化，是获取成功的特别重要的法则。有的同学虽然很
13、努力地学习，但是却对学习没有兴趣。凡是这种情况，学习效率都差得很，往往是事倍功半，效率不高。所以，千万不要只知道积极地去学，光顾着学，傻学，而要想办法培养自己的兴趣。只有将学习积极性转化为学习兴趣之后，你才有可能实现学习效率的飞跃。方法四：高效率学习法 作为学生，谁能够高效地管理时间，科学地利用时间，抓住时间的脉搏，谁就能创造学业的成功，成就人生的辉煌。爱时间就是爱生命，爱生命的每一部分。谁把握住时间，谁就拥有一切。时间就是生命。“一个人一生只有三天：昨天、今天和明天。昨天已经过去，永不复返；今天已经和你在一起，但很快就会过去；明天就要到来，但也会消失。抓紧时间吧，一生只有三天！”现在是你们人
14、生的黄金时期，也是学习知识、吸取知识最有效率的时期，你们应善于管理时间珍惜时间，不虚度年华，使生命失去原本的灿烂光彩。方法五：刨根质疑学习法 学习的过程是由一个“无疑有疑解疑无疑”不断循环往复的过程。学须善思，思后存疑，疑后问，问后知。所以，我们在日常生活和学习过程中，要善于思考，培养“凡事问一个为什么”的习惯。作为一个学生，我们要善于发现问题，敢于向权威挑战，同时又要虚心求教，不耻下问，不懂的问题多问老师，向同学请教。积极参加各种有关学习的交谈、讨论、学习兴趣小组，创设一个与别人交流的良好平台，合作解决问题。方法六：笔 记 学 习法笔墨学习法又称笔记法，是利用记笔记学习的一种方法。在日常的读
15、书、听课、复习的时候，对有一定价值和意义的材料、知识点、问题迅速及时地标记出来，记下来，然后整理成笔记，这对于巩固知识，积累材料，提高学习成绩都具有十分重要的意义。方法七：全 面 预 习法打无准备的仗必输，没有预习的功课一定不会好。要想有一个高效的课堂学习，必须牢牢抓住课前预习这个关键环节。常言道：“凡事预则立，不预则废。”“预”，即准备。预习就是在教师讲课之前，学生阅读教材及相关的内容，为新课学习做好必要的知识准备。我们在预习的时候，要大体了解书本内容，思考重点，发现难点，注意方法，增强预习的主动性、针对性，培养良好的预习习惯。方法八：高 效 听 课法 一个人的学生时代，大部分的学习时间是在课堂中度过的。在短短的十几年时间里每个学生几乎接受和继承了人类几千年所积累的知识中最基本、最精华的部分，由此可见课堂学习的重要性。一个学生学习的好坏，成绩的高低，关键在于课堂学习。充分利用每一节课的45分钟，高效学习，对提高学习质量将产生巨大的影响。专家认为，要想听好一节课，课前必须从身心、知识、物质上做好充分准备，在上课时力求做到“五到”，即耳到、眼到、口到、心到、手到；专心致志，勤于思考，思维与老师合拍。同时，上课时勇于发言，积极参加讨论，有机会多动手、多实践，做好笔记，才能有效地把握课堂，把课堂变成自己学习的主战场。- 11 -
