变截面薄壁盒段结构力学性能分析的超单元法

摘要

薄壁盒段是飞行器中采用最多的结构。在进行薄壁盒段力学分析时，若采用工程算法，则精度较低；若采用大型有限元软件，其精度可以满足工程要求，但是需要大量的模型参数来建立精确的分析模型，且载荷处理十分麻烦、单元规模非常庞大，从而降低设计效率。因此，如何在满足精度要求前提下减少薄壁盒段建模工作量和计算代价，成为工程设计中的难题。
　　本文针对变截面薄壁盒段提出了一种新的分析方法—超单元法。该方法将薄壁机体结构以横向元件为分界面，沿纵向划分为若干个超单元。每个超单元由多个杆单元和平面应力板单元组成。根据结构受力变形特点，提出了横截面面内绝对刚性假设。基于此假设，在超单元界面上选取合适的广义位移对结构自由度进行减缩。首先推导了基于广义位移和相应广义力的超单元刚度矩阵；然后使用 Matlab软件编写程序，实现了超单元法的薄壁结构应力-位移分析；对几个变截面薄壁盒段在机械载荷和温度载荷作用下进行了计算，将计算结果与解析解、试验结果、以及 Abaqus仿真结果进行了对比分析，验证了超单元法的准确性，并分析了超单元法计算精度的影响因素及计算结果特点；最后利用超单元法和满应力准则，对两个薄壁盒段不同结构布局型式下各受力构件进行了尺寸优化，从而选择出了重量特性最佳的方案。

目录

声明

注释表

第一章 绪论

1.1引言

1.2薄壁结构计算方法

1.3超单元法研究现状

1.4满应力法基本理论

1.5机翼选型设计方法

1.6本文主要研究内容简介

第二章 变截面薄壁盒段超单元法

2.1变截面薄壁盒段超单元模型

2.2弹性力学基本理论

2.3单元刚度矩阵

2.4超单元基于节点位移、节点力的刚度矩阵

2.5位移转换矩阵和力转换矩阵

2.6基于广义位移、广义力的超单元刚度矩阵

2.7边界条件的处理

2.8超单元法Matlab程序

2.9本章小结

第三章 算例验证-机械载荷

3.1四板梯形盒段

3.2小展弦比、大后掠机翼盒段

3.3大展弦比后掠机翼盒段

3.4机身盒段

3.5大展弦比梯形盒段

3.6本章小结

第四章 机械载荷和热载荷联合作用下的结构分析

4.1考虑温度应力的超单元法

4.2施加热载荷的大展弦比直盒段

4.3施加热载荷的大展弦比梯形盒段

4.4本章小结

第五章 基于超单元法的机翼盒段尺寸优化及构型选择

5.1直盒段尺寸优化及构型选择

5.2梯形盒段尺寸优化及构型选择

5.3本章小结

第六章 总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

致谢

在学期间的研究成果及发表的学术论文

附录