一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法

本发明涉及工程结构，具体为一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法。

背景技术：

1、作为工程结构技术领域的研究热点，结构的轻量化与高承载性能之间的平衡设计长期受到广泛关注。加筋壁板结构以其良好的比刚度、比强度、优秀的抗屈曲性能等优点，在机械、航空航天、海洋船舶、汽车制造等领域广泛应用。

2、工程应用中常见的加筋方法，如：基于经验的加筋设计方法、基于仿生的加筋设计方法、基于拓扑优化的加筋设计方法等，计算复杂度高、计算量大，设计时间长，对工程设计人员的要求高，不利于结构的快速加筋设计。

技术实现思路

1、针对传统的加筋设计方法设计时间长、计算量大、对工程技术人员要求高的缺点，本发明提出了一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，能够有效的提高结构的抗屈曲性能、强度的同时降低加强筋设计的计算量及设计时间。

2、本发明的技术方案为：

3、一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，包括以下步骤：

4、步骤1：根据待添加加强筋的结构的受力状态，对所述结构进行屈曲分析，获取所述结构的屈曲模态；

5、步骤2：根据步骤1得到的所述结构的屈曲模态，确定所述结构中若干法矢夹角变化最大处位置，以及若干法矢夹角变化最小处位置，其中法矢夹角变化最小处位置不包括所述结构受约束的位置；所述法矢夹角变化指所述结构上某一点的法向矢量在发生屈曲失稳前与屈曲失稳后的角度变化；

6、步骤3：以步骤2确定的若干法矢夹角变化最大处位置和若干法矢夹角变化最小处位置为基准点构造加强筋。

7、进一步的，步骤2中，确定所述结构中若干法矢夹角变化最大处位置，以及若干法矢夹角变化最小处位置的过程为：

8、步骤2.1：根据步骤1得到的所述结构的屈曲模态，获得所述结构中每个节点位置处的法矢夹角变化量，剔除结构中受约束及约束影响的节点位置后，将剩余节点位置处的法矢夹角变化量按照大小排序，得到法矢夹角变化量组合δ＝(δ1,δ2,…,δn,…,δn)，其中n为剩余节点个数，δn为第n个节点位置处的法矢夹角变化量，δ1最小，δn最大；

9、步骤2.2：以δ1为基准，设置阈值ε1，在组合δ中找到若干个与δ1差值小于阈值ε1的法矢夹角变化量，将这里得到的法矢夹角变化量对应的节点位置以及δ1对应的节点位置视为所述结构中若干法矢夹角变化最小处位置；

10、以δn为基准，设置阈值ε2，在组合δ中找到若干个与δn差值小于阈值ε2的法矢夹角变化量，将这里得到的法矢夹角变化量对应的节点位置以及δn对应的节点位置视为所述结构中若干法矢夹角变化最大处位置。

11、进一步的，步骤2.2中，

12、以δ1为基准，设置阈值ε1，在组合δ中找到若干个与δ1差值小于阈值ε1的法矢夹角变化量，将这里得到的法矢夹角变化量对应的节点位置以及δ1对应的节点位置进行组合后，对该节点位置组合按照距离进行聚类，以得到的若干聚类中心点位置作为所述结构中若干法矢夹角变化最小处位置；

13、以δn为基准，设置阈值ε2，在组合δ中找到若干个与δn差值小于阈值ε2的法矢夹角变化量，将这里得到的法矢夹角变化量对应的节点位置以及δn对应的节点位置进行组合后，对该节点位置组合按照距离进行聚类，以得到的若干聚类中心点位置作为所述结构中若干法矢夹角变化最大处位置。

14、进一步的，步骤3中，构造加强筋的过程为：

15、从所述若干法矢夹角变化最大处位置中选择一个位置a，在所述若干法矢夹角变化最小处位置中找一个与位置a距离最短的位置b，以ab连线作为加强筋构造方向，构造加强筋；

16、或从所述若干法矢夹角变化最小处位置中选择一个位置b，在所述若干法矢夹角变化最大处位置中找一个与位置b距离最短的位置a，以ab连线作为加强筋构造方向，构造加强筋。

17、进一步的，步骤3中，当需要构造多条加强筋时，后续加强筋的构造过程为：

18、将已经参与构造加强筋的位置从所述若干法矢夹角变化最大处位置以及所述若干法矢夹角变化最小处位置中剔除，然后再在利用前述方法构造加强筋。

19、进一步的，所述加强筋的截面形状包括矩形、t形和三角形。

20、进一步的，所述加强筋包括等高度加强筋以及变高度加强筋。

21、进一步的，以步骤3构造的加强筋为基础，对加强筋的筋高、筋宽或截面形状进行优化，获到抗屈曲能力更高的加强筋。

22、进一步的，以等高度加强筋为基础，对加强筋的筋高进行优化，得到抗屈曲能力更高的变高度加强筋过程为：在等高度加强筋上选择多个关键点，以关键点高度为设计变量，以优化后的变高度加强筋体积小于等高度加强筋体积作为约束，以加筋壁板的一阶屈曲特征值最大作为目标函数；优化得到变高度加强筋。

23、有益效果

24、本发明最主要取得的有益效果为：

25、本发明通过分析屈曲模态的几何信息，利用屈曲失稳后模态的法矢方向与未失稳前法矢方向之间夹角的大小与抗屈曲加强筋性能的关系，对加筋壁板结构容易屈曲的部分进行加筋设计，显著提高了壁板加筋结构的抗屈曲能力。设计方法简单、计算量小，使用该方法对加筋壁板进行设计，可以实现对结构进行针对性补强的目的。

26、在上述基础上，本发明进一步通过优化加强筋不同位置处的截面形状、筋高和/或筋宽等参数，可以进一步提高加筋壁板结构的抗屈曲性能。

27、本发明设计衍生出的加筋壁板结构具有较高强度和刚度，其系列加筋可以用于汽车、航空航天飞行器和军用车舰的覆盖件，对舰体以及机身外部提升承载能力具有重要意义，从而达到提升产品性能的目的。

28、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

技术特征：

1.一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，其特征在于：步骤2中，确定所述结构中若干法矢夹角变化最大处位置，以及若干法矢夹角变化最小处位置的过程为：

3.根据权利要求2所述一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，其特征在于：步骤2.2中，

4.根据权利要求2所述一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，其特征在于：步骤3中，构造加强筋的过程为：

5.根据权利要求4所述一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，其特征在于：步骤3中，当需要构造多条加强筋时，后续加强筋的构造过程为：

6.根据权利要求1所述一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，其特征在于：所述加强筋的截面形状包括矩形、t形和三角形。

7.根据权利要求1或6所述一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，其特征在于：所述加强筋包括等高度加强筋以及变高度加强筋。

8.根据权利要求7所述一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，其特征在于：以步骤3构造的加强筋为基础，对加强筋的筋高、筋宽或截面形状进行优化，获到抗屈曲能力更高的加强筋。

9.根据权利要求8所述一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，其特征在于：以等高度加强筋为基础，对加强筋的筋高进行优化，得到抗屈曲能力更高的变高度加强筋过程为：在等高度加强筋上选择多个关键点，以关键点高度为设计变量，以优化后的变高度加强筋体积小于等高度加强筋体积作为约束，以加筋壁板的一阶屈曲特征值最大作为目标函数；优化得到变高度加强筋。

技术总结
本发明提出一种基于屈曲模态的加强筋快速设计方法，根据待添加加强筋的结构的受力状态，对结构进行屈曲分析，获取结构的屈曲模态；根据屈曲模态，确定结构中若干法矢夹角变化最大处位置，以及若干法矢夹角变化最小处位置；以确定的若干法矢夹角变化最大处位置和若干法矢夹角变化最小处位置为基准点构造加强筋。本发明通过分析屈曲模态的几何信息，利用屈曲失稳后模态的法矢方向与未失稳前法矢方向之间夹角的大小与抗屈曲加强筋性能的关系，对加筋壁板结构容易屈曲的部分进行加筋设计，显著提高了壁板加筋结构的抗屈曲能力。设计方法简单、计算量小，使用该方法对加筋壁板进行设计，可以实现对结构进行针对性补强的目的。

技术研发人员：孟亮,霍东,祝文锐,张卫红,朱继宏,吴沛佳,王谦
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5