一种薄壁复合材料舱体负刚度稳定性分析方法与流程

1.本发明是一种通过识别薄壁舱体在振动条件下的负刚度变形分布，建立基于几何非线性假设的有限元修正模型，采用弧长法对产生负刚度变形的薄壁结构进行稳定性求解。


背景技术：

2.临近空间飞行器由于其具有重大的战略意义，当前已经成为国内外研究的热点之一。随着对飞行器性能及突防能力的需求，结构系统轻质化逐渐成为关键技术。
3.为了实现飞行器结构系统轻质化，薄壁舱体结构被广泛应用，尤其随着复合材料的日渐成熟与发展，薄壁结构的厚度尺寸可以做到更小，异形舱体结构的蒙皮壁厚甚至可以达到1mm，在满足强度需求的前提下，实现结构轻质化设计。
4.然而薄壁复合材料舱段结构在大弯矩载荷工况及横法向振动条件下，蒙皮容易发生大幅变形，存在形成负刚度形式的全新几何包络。薄壁结构的负刚度变形导致舱体稳定特性发生大幅改变，传统基于线性化的稳定性计算方法不再适用。


技术实现要素：

5.本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种薄壁复合材料舱体负刚度稳定性分析方法，避免薄壁结构发生失稳带来的气动外形变化及强度破坏。
6.本发明的技术方案是：一种薄壁复合材料舱体负刚度稳定性分析方法，步骤如下：
7.1)利用正弦扫频分析，获得结构变形分布u；
8.2)建立等效静力分析模型，根据步骤1)中获得的结构变形分布场u，获得等效静力过载；
9.3)根据步骤2)获得的等效静力过载，结合非线性静力分析模型，判断结构是否出现负刚度；若出现则继续步骤4)，若未出现则转至步骤6)；
10.4)提取非线性静力分析模型变形结果，修正结构稳定性分析模型；
11.5)对稳定性分析模型进行求解，获得薄壁结构发生失稳时的载荷比值和后屈曲的破坏状态，本方法结束；
12.6)建立小变形假设下的有限元分析模型，并对薄壁结构稳定性进行求解。
13.所述步骤1)获得结构变形分布的过程为：建立薄壁舱体有限元分析模型，对薄壁舱体有限元模型进行基于频域方法的正弦扫频计算分析，获得正弦扫频分析结果，并重点获取结构整体最大变形分布场u。
14.采用模态叠加法的稳态动力学分析方法，对薄壁舱体有限元模型进行基于频域方法的正弦扫频计算分析。
15.所述步骤2)获得等效静力过载的过程为：基于小变形假设，建立薄壁舱段稳态静力学有限元分析模型，对模型施加等效过载，使薄壁结构变形分布满足差值条件，以此确认等效过载量值。
16.所述差值条件为：minσ|u
g-u|，即等效过载下的结构各有限元节点变形与正弦扫频分析获得的有限元节点变形相减后的方差值最小，以此确认等效过载量值；其中ug为静力学分析模型中的结构位移场，σ为方差。
17.所述步骤3)结合非线性静力分析模型，判断结构是否出现负刚度的过程为：基于几何非线性假设，即考虑应变二阶微分项，重新建立薄壁舱段稳态静力学有限元分析模型，加载确定后的等效过载，提取稳态静力结果中的薄壁结构节点位移场，通过变形分布识别是否出现负刚度变形。
18.所述步骤3)中负刚度变形判定方法如下：
19.31)以舱体经线为基准，按指定间距逐条提取经线上节点变形信息，获取经线上变形后的位置结果；
20.32)利用舱体旋成体构型特点，建立经线局部坐标系；
21.33)在经线局部坐标系下，以提取的经线两端节点变形后位置构造线性辅助线，并形成函数：f x,y＝ax+by+c；式中，a、b、c为线性方程系数，x、y为经线局部坐标系下坐标；
22.34)通过经线上的各节点位置信息到辅助线的矢量距离，判断结构是否发生负刚度变形。
23.所述步骤34)中，通过经线上的各节点位置信息x0,y0到辅助线的矢量距离判断结构是否发生负刚度变形，若始终d＞0，则结构未发生负刚度变形，若存在d＜0，则结构发生负刚度变形；式中x0、y0为结构壁面在经线坐标系下位置。
24.所述步骤4)修正结构稳定性分析模型的过程为：利用几何非线性假设，将薄壁结构节点位移场的影响施加至结构刚度矩阵中；基于更改后的结构刚度矩阵，建立稳定性分析模型。
25.所述步骤6)中，利用模态叠加法对薄壁结构稳定性进行求解。
26.本发明与现有技术相比的优点在于：
27.1、薄壁结构的负刚度变形导致舱体稳定特性发生大幅改变，传统基于线性化的稳定性计算方法无法捕获负刚度变形，因此不再适用，本发明基于几何非线性假设对薄壁结构负刚度引起的稳定性问题进行准确预示。
28.2、本发明通过建立等效静力过载的方法，将结构动力学问题等效为静力学问题，准确识别负刚度现象的产生并大幅降低问题求解难度。
29.3、本发明将线性分析模型与非线性分析模型相结合，通过预分析的方式，快速建立结构动力学模型与静力学模型之间的关系，从而提高分析效率。
附图说明
30.图1为本发明方法流程图。
31.图2为负刚度识别方法示意图。
32.图3为弧长与加载载荷比例关系图。
具体实施方式
33.如图1所示，本发明一种薄壁复合材料舱体负刚度稳定性分析方法，步骤如下：
34.1、建立薄壁舱体有限元分析模型，采用模态叠加法的稳态动力学分析方法，对薄壁舱体有限元模型进行基于频域方法的正弦扫频计算分析，获得正弦扫频分析结果，重点获取结构整体最大变形分布场u；
35.2、基于小变形假设(即)，建立薄壁舱段稳态静力学有限元分析模型，对模型施加等效过载，使薄壁结构变形分布满足如下条件：minσ|u
g-u|，即等效过载下的结构各有限元节点变形与正弦扫频分析获得的有限元节点变形相减后的方差值最小，以此确认等效过载量值；
36.3、基于几何非线性假设(即考虑应变二阶微分项)，重新建立薄壁舱段稳态静力学有限元分析模型，加载确定后的等效过载，提取稳态静力结果中考虑应变二阶项的薄壁结构节点更新位移场，通过变形分布识别是否出现负刚度变形，若出现则继续以下步骤，若未出现则转至步骤6。
37.如图2所示，负刚度变形判定方法如下：
38.31)以舱体经线为基准，按指定间距逐条提取经线上节点变形信息，获取经线上变形后的位置结果；
39.32)利用舱体旋成体构型特点，建立经线局部坐标系；
40.33)在局部坐标系下，以提取的经线两端节点变形后位置构造线性辅助线，并形成函数：f x,y＝ax+by+c；
41.34)通过经线上的各节点位置信息x0,y0到辅助线的矢量距离判断结构是否发生负刚度变形，若始终d＞0，则结构未发生负刚度变形，若存在d＜0，则结构发生负刚度变形。
42.4、利用几何非线性假设，将薄壁结构节点位移场的影响通过应变二阶项引入至结构刚度矩阵的非线性刚度分量中。基于更改后的结构刚度矩阵和变形节点位置信息，建立稳定性分析模型；
43.5、该稳定性分析模型采用弧长法进行求解通过比例加载方式对结构失稳过程进行追踪，其载荷比例加载形式为p
total
＝p0+λ(p
ref-p0)，其中p
total
为分析歩下的当前载荷，p0为初始加载载荷，p
ref
为失稳参考载荷，λ为载荷比例因子。最终获得薄壁结构发生失稳时的载荷比值(如图3所示，随弧长增加的第一个驻点对应的加载载荷为薄壁结构失稳载荷)和后屈曲的破坏状态；
44.6、若在步骤3中未发生负刚度变形，则建立小变形假设下的有限元分析模型，不再引入应变二阶项的影响，并利用模态叠加法对薄壁结构稳定性进行求解。
45.本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。