面向大型筒壳的折减因子确定方法与试验验证

摘要

随着重型运载火箭的发展，主承力结构直径和径厚比均大幅增加，缺陷敏感性也随之增大。这使得折减因子的准确预测直接影响着箭体结构轻量化设计。本文首先介绍了筒壳结构几何缺陷的测量与表达方法，然后对比研究了两种有限元模型重构方法，并系统研究了基于不同缺陷近似方法的筒壳轴压承载力数值分析方法，最后通过三个试验验证了相关数值分析方法的正确性，特别是最不利多点扰动载荷法的正确性和先进性。
　　本文的主要研究内容如下：
　　（1）介绍了筒壳结构几何缺陷的测量与表达方法。由于视角的限制，筒壳结构的形貌测量必须多次分区测量，然后将其拼接为整体。本文介绍了多种测量方式，对比各个方法导致的拼接误差，结果显示多镜头拍摄方法具有更高的测量精度。另外，本文还提出了基于二次型变换的几何缺陷提取方法，并介绍了基于双重 Fourier级数的缺陷表达方法。
　　（2）研究对比了两种有限元模型重构方法。通过基于散点的有限元模型修调方法和基于 Fourier级数函数的有限元模型修调方法都可以将几何缺陷引入到有限元模型。但是散点法的计算过程涉及网格节点和数据散点的两层遍历，因此非常耗时。Fourier级数法将数据散点拟合为 Fourier级数，使得基于该级数的有限元模型重构过程只涉及到网格节点的遍历和少量的函数值计算，从而大大提高了有限元模型重构效率。
　　（3）采用了多种缺陷近似方法分析筒壳的承载性能。以直径1米筒壳为例，分别采用特征值模态缺陷、实测缺陷、单点凹陷、最不利多点扰动载荷等近似方法，对筒壳的轴压屈曲承载力进行数值计算。与完美模型或理论解相比，缺陷近似方法获得的极限承载力都存在较大的折减，而且最不利多点扰动载荷法相对精确且鲁棒。实测缺陷计算结果虽然准确，但是作为不确定性缺陷近似方法，无法在筒壳的设计过程中采用。
　　（4）设计了三个试验验证不同缺陷近似方法的正确性与先进性。针对直径1米筒壳，本文设计了一套较高精度的试验工装系统，利用电测、光测等测量设备构建功能全面的试验测量系统，并且策划并进行了含初始制造缺陷、塑性单点凹陷、多点扰动载荷等工况的筒壳轴压屈曲试验。试验结果验证了数值结果的正确性，确认了最不利多点扰动载荷法的正确性与先进性。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 筒壳稳定性分析研究现状

1.3 本文研究内容

2 初始几何缺陷测量与表达

2.1 筒壳形貌测量

2.2 筒壳形貌特征提取

2.3 初始几何缺陷的表达

2.4 本章小结

3 筒壳轴压屈曲折减因子分析

3.1 筒壳模型介绍

3.2 有限元模型重构方法

3.3 筒壳轴压稳定性理论分析

3.4 筒壳轴压屈曲承载力数值分析

3.5 本章小结

4 筒壳折减因子预测方法原理性试验验证

4.1 试验工装与试验系统

4.2 准完美（善）直径1米筒壳轴压屈曲试验

4.3 含单点凹陷直径1米筒壳轴压屈曲试验

4.4 含最不利多点扰动载荷直径1米筒壳轴压屈曲试验

4.5 本章小结

5 结论与展望

5.1 结论

5.2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢