專利名稱:一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于航空航天結(jié)構(gòu)主承力構(gòu)件制造技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的實際承 載能力問題，特別涉及一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)，本發(fā)明能夠改善缺陷對網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)承載能力折減的結(jié)構(gòu)形式。
背景技術(shù)：
運載火箭的運載能力，即運載火箭的有效載荷，是其設計中十分重要的一個方面。減輕運載火箭箭體的重量，可達到增加有效載荷的目的，減輕箭體結(jié)構(gòu)艙段的重量對提高運載火箭的有效載荷作用非常明顯，同時結(jié)構(gòu)輕量化設計對減少發(fā)射成本有著顯著的意義。箭體結(jié)構(gòu)艙段其結(jié)構(gòu)由前底、殼段、后底組成，其中殼段由壁板焊接組成，壁板的重量直接影響箱體的重量。為提高壁板的強度、減輕壁板的重量，壁板往往設計成網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。目前的運載火箭主承力結(jié)構(gòu)中有80%的箭體結(jié)構(gòu)艙段是網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)。
運載火箭中箭體結(jié)構(gòu)主要承受的是箭體相鄰部段的反作用力，即作用在艙段上的是彎矩、軸向力和剪力，在計算過程中常常將彎矩等效為軸向力，而剪力因遠小于軸向力不予考慮。在以上載荷作用下，箭體結(jié)構(gòu)的簡化模型為軸壓網(wǎng)格加筋圓柱殼。
整體穩(wěn)定性為控制網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)安全度的主要因素，因此軸壓臨界失穩(wěn)載荷是此類結(jié)構(gòu)的主要設計目標。然而針對理想數(shù)值模型計算的極限承載力(非線性后屈曲分析)一般均高于試驗得到的臨界載荷，這是因為數(shù)值計算中沒有針對性的考慮結(jié)構(gòu)夾雜、焊接和滾彎導致的殘余應力、截面不圓度、壁厚一致性、軸線不直等物理和幾何缺陷。這些缺陷稱之為初始缺陷。初始缺陷對結(jié)構(gòu)軸壓臨界失穩(wěn)載荷的影響就是薄壁結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性問題。為了表征初始缺陷對網(wǎng)格加筋圓柱殼的影響程度，折減因子的概念被引入。折減因子表示含有初始缺陷的網(wǎng)格加筋圓柱殼與完美網(wǎng)格加筋圓柱殼的軸壓臨界失穩(wěn)載荷之比。折減因子在0-1間取值。折減因子的值越高，表示結(jié)構(gòu)對初始缺陷的敏感性越小。因此折減因子反映了結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。合理的網(wǎng)格加筋圓柱殼要求具有較高的穩(wěn)定性。這便是設計網(wǎng)格加筋圓柱殼的核心問題。
為了得到高穩(wěn)定性的網(wǎng)格加筋圓柱殼結(jié)構(gòu)，大量的數(shù)值計算和實驗驗證被應用到實際的設計中來。例如，Waddy T. Haynie和Mark ff. Hilburger在會議文獻“Comparisonof Methods to Predict Lower Bound Buckling Loads of Cylinders under AxialCompression"中研究了正置正交網(wǎng)格加筋圓柱殼在模態(tài)缺陷，集中力缺陷，無應力的凹坑缺陷三種缺陷對結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性的影響。NASA的Glenn A. Hrinda在“Effents ofShell-Buckling Knonckdown Factors in Large Cylindrical ShelIs，，中石開究了圓柱殼對多種初始缺陷的敏感性。雖然驗證了網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)對初始缺陷的魯棒性，但是這些研究更多的是針對不同的缺陷形式，幾乎沒有探索提高魯棒性的網(wǎng)格加筋形式。基于不同的網(wǎng)格加筋形式來提高結(jié)構(gòu)的魯棒性的思路有著廣闊的空間。
經(jīng)過對不同尺寸網(wǎng)格加筋柱殼的后屈曲缺陷敏感性分析，考慮結(jié)構(gòu)最容易激發(fā)出的一階模態(tài)缺陷。結(jié)果表明光筒殼結(jié)構(gòu)的缺陷魯棒性極差，微幅缺陷即可引起結(jié)構(gòu)極限承
3載力的大幅折減，隨著缺陷幅度的增加，極限承載力幾乎為線性降低；為光筒殼結(jié)構(gòu)布置稀疏筋條后，微幅缺陷下結(jié)構(gòu)魯棒性較高，但隨著缺陷幅度的增加，極限承載力線性降低 ’為光筒殼結(jié)構(gòu)布置密筋條后，微幅缺陷下結(jié)構(gòu)極限承載力仍出現(xiàn)大幅折減，但隨著缺陷幅度的增加，極限承載力收斂于某一定值。而實際結(jié)構(gòu)中，微幅缺陷是最容易發(fā)生，也是最不容易檢測出的，因此結(jié)構(gòu)對于微幅缺陷是否敏感是結(jié)構(gòu)性能的一項重要指標。同時，隨著缺陷幅度的增加，結(jié)構(gòu)極限承載力的折減是否收斂也是不容忽視的結(jié)構(gòu)安全指標。
綜上所述，目前有必要提出一種雙尺度網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)，從而改善結(jié)構(gòu)對缺陷的敏感性，在微幅缺陷時不會產(chǎn)生較大的極限承載力折減，同時隨著缺陷幅度的增加，極限承載力逐步收斂，這樣可以為結(jié)構(gòu)的輕量化設計奠定基礎(chǔ)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為解決傳統(tǒng)網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)對缺陷的敏感性，尤其是微小缺陷引起的結(jié)構(gòu)承載能力的大幅損失，提供一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是提供了一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)，是在傳統(tǒng)網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的小尺度筋7上布置大尺度筋8，布置方式為在環(huán)向和軸向，每隔若干個小尺度筋7放置一個大尺度筋8 ;從而形成大尺度筋8與小尺度筋7交錯分布的格局。大尺度筋和小尺度筋的數(shù)量、截面高度、截面寬度可根據(jù)結(jié)構(gòu)的直徑、長度等指標由數(shù)值優(yōu)化方法確定。
其中，所述大尺度筋8的截面高度大于小尺度筋7的截面高度，大尺度筋8的截面寬度大于、等于或小于小尺度筋7的截面寬度。
其中，所述大尺度筋8的截面采用矩形、T形或組合截面。
其中，所述一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)采用分區(qū)進行加工，加工完成后結(jié)構(gòu)在微幅缺陷時不會產(chǎn)生較大的極限承載力折減，同時隨著缺陷幅度的增加，極限承載力逐步收斂于某一定值。
有益效果本發(fā)明通過在傳統(tǒng)網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)上布置大尺度筋的方式，提高了傳統(tǒng)網(wǎng)格加筋柱殼的缺陷魯棒性，在微幅缺陷時不會產(chǎn)生較大的極限承載力折減，同時隨著缺陷幅度的增加，極限承載力逐步收斂于某一定值。大尺度筋和小尺度筋的數(shù)量、截面高度、截面寬度可根據(jù)結(jié)構(gòu)的直徑、長度等指標由數(shù)值優(yōu)化方法快速確定。本發(fā)明加工工藝簡單，適合大規(guī)模量產(chǎn)。


圖I為本發(fā)明與其他三種網(wǎng)格加筋密度缺陷敏感性的示意圖。
圖2為本發(fā)明一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)的局部放大示意圖。
圖4為本發(fā)明截面(大尺度筋截面寬度大于小尺度筋截面寬度)的示意圖。
圖5為本發(fā)明截面(大尺度筋截面寬度小于小尺度筋截面寬度)的示意圖。
圖6為本發(fā)明截面(大尺度筋截面寬度等于小尺度筋截面寬度)的示意圖。
圖7為本發(fā)明截面(大尺度筋截面形狀為T形截面)的示意圖。
附圖標識1_圓柱殼蒙皮截面；2_小尺度筋截面；3_大尺度筋截面I ;4_大尺度筋截面II ；5-大尺度筋截面III ；6-T形大尺度筋截面，7-小尺度筋，8-大尺度筋。
具體實施方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進行詳細說明。
本發(fā)明是一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)，是在傳統(tǒng)網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的小尺度筋7上布置大尺度筋8,布置方式為在環(huán)向和軸向，每隔若干個小尺度筋7放置一個大尺度筋8 ；從而形成大尺度筋8與小尺度筋7交錯分布的格局。
其中，所述大尺度筋8的截面高度大于小尺度筋7的截面高度，大尺度筋8的截面寬度大于、等于或小于小尺度筋7的截面寬度。
其中，所述大尺度筋8的截面采用矩形、T形或組合截面。
其中，所述一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)采用分區(qū)進行加工，加工完成后結(jié)構(gòu)在微幅缺陷時不會產(chǎn)生較大的極限承載力折減，同時隨著缺陷幅度的增加，極限承載力逐步收斂于某一定值。
本發(fā)明中大尺度筋和小尺度筋的數(shù)量、截面高度、截面寬度可根據(jù)結(jié)構(gòu)的直徑、長度等指標由數(shù)值優(yōu)化方法確定。本發(fā)明可采用化學銑切或機械銑切的方式對網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)進行分區(qū)加工，即對大尺度筋和小尺度筋分別加工完成。大尺度筋的寬度可以與原有結(jié)構(gòu)的筋條寬度不等(通過對大尺度筋寬度的控制，可以實現(xiàn)與傳統(tǒng)設計等重，甚至減重)，而高度比原有設計的高度更高，小尺度筋的寬度可比原有設計略小，用以抵消引入大尺度筋的附加重量。
實施方式可分為3個步驟
首先，加工出大尺度筋，每個大尺度筋在環(huán)向和軸向均間隔整數(shù)個小尺度筋，其余部分銑切至小尺度筋高度處。
然后，對大尺度筋圍成的每個子區(qū)域進行加工，將每個小尺度筋圍成的區(qū)域銑切至蒙皮厚度處，進而加工出小尺度筋，這樣就形成了大尺度筋與小尺度筋交錯分布的格局。
最后，將加工好的結(jié)構(gòu)滾彎成型，并采用攪拌摩擦焊等方式焊接對接處，即可完成雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼的加工。
以上內(nèi)容是結(jié)合優(yōu)選技術(shù)方案對本發(fā)明所做的進一步詳細說明，不能認定發(fā)明的具體實施僅限于這些說明。對本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域：
的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明的構(gòu)思的前提下，還可以做出簡單的推演及替換，都應當視為本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1.一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)是在傳統(tǒng)網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的小尺度筋(7)上布置大尺度筋(8)，布置方式為在環(huán)向和軸向，每隔若干個小尺度筋(7 )放置一個大尺度筋(8 );從而形成大尺度筋(8 )與小尺度筋(7 )交錯分布的格局。
2.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述大尺度筋(8)的截面高度大于小尺度筋(7)的截面高度，大尺度筋(8)的截面寬度大于、等于或小于小尺度筋(7)的截面寬度。
3.根據(jù)權(quán)利要求
I所述的一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)，其特征在于，所述大尺度筋(8)的截面采用矩形、T形或組合截面。
專利摘要
本發(fā)明涉及航空航天結(jié)構(gòu)主承力構(gòu)件制造技術(shù)領(lǐng)域：
，公開了一種雙尺度網(wǎng)格加筋柱殼結(jié)構(gòu)，是在傳統(tǒng)網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)的小尺度筋上布置大尺度筋，布置方式為在環(huán)向和軸向，每隔若干個小尺度筋放置一個大尺度筋；從而形成大尺度筋與小尺度筋交錯分布的格局。本發(fā)明通過在傳統(tǒng)網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)上布置大尺度筋的方式，提高了傳統(tǒng)網(wǎng)格加筋柱殼的缺陷魯棒性，在微幅缺陷時不會產(chǎn)生較大的極限承載力折減，同時隨著缺陷幅度的增加，極限承載力逐步收斂于某一定值。大尺度筋和小尺度筋的數(shù)量、截面高度、截面寬度可根據(jù)結(jié)構(gòu)的直徑、長度等指標由數(shù)值優(yōu)化方法確定。本發(fā)明加工工藝簡單，適合大規(guī)模量產(chǎn)。
文檔編號F42B15/00GKCN102937396SQ201210432531
公開日2013年2月20日 申請日期2012年11月2日
發(fā)明者王博, 郝鵬, 杜凱繁, 李剛, 徐亮, 楊躍, 李恒陽 申請人:大連理工大學導出引文BiBTeX, EndNote, RefMan