薄壁球壳结构的动力学行为与优化设计

摘要

薄壁球壳结构具有质量轻、承载力高、能提供安全防护空间的优点，广泛应用于航天、航空、航海等交通运输工具以及机械、化工、建筑等工程领域中。作为一种碰撞动能耗散元件，其变形特点和耐撞性吸能能力一直是科研工作者关注的焦点。本文以多种形式的薄壁球壳结构作为研究对象，对其在冲击载荷作用下的动力学行为进行了数值模拟研究，探讨了薄壁金属空心球和双层充液薄壁半球壳的变形和动力响应特点，并对具有相同高度的单层薄壁扁球壳和不同充液高度的双层充液薄壁半球壳进行了耐撞性优化设计，具体内容如下:
　　对不同径厚比的薄壁金属空心球在不同冲击速度下的变形过程进行了数值模拟研究。其压缩变形失效过程可分为六个阶段:局部压平;轴对称凹陷;形成非对称的多边形凹陷;空心球内表面接触并相互作用;侧壁失效;密实阶段。同时还研究了径厚比和冲击速度对其变形过程的影响。计算结果表明:不同径厚比的空心球在内表面接触前的变形过程基本一样，在内表面接触后，壳体的翻转方向不同;径厚比越大，接触力越小，壳体越容易形成多边形模式，径厚比对空心球压缩时的不对称度影响较小;冲击速度越大，空心球底部发生凹陷的时间越早，产生的不对称度也越大，壳体会产生较大的接触力初始峰值。
　　对四种充液高度的双层充液薄壁半球壳在落锤冲击作用下的动力响应过程进行了数值模拟研究。结果表明，其变形形式可以分为两种类型:高充液情形和低充液情形。对于高充液双层充液壳，内壳底部发生凹陷，而对于低充液双层充液壳，内壳顶部发生凹陷。双层充液壳的顶部和底部的水压力时程曲线、接触力时程曲线和能量吸收情况的分析显示:随着充液高度的增加，底部水压力峰值逐渐增加，接触力峰值也逐渐增加;冲击过程中产生的冲击能量主要由外壳吸收，在内壳发生凹陷变形时，内壳也吸收了一定数量的能量，而水吸收的能量相对于总能量来说很少。
　　基于试验设计和响应面法的代理模型技术是进行薄壁结构耐撞性优化的主要方法。本文对常用的耐撞性评价指标作了简要描述，给出了耐撞性多目标优化问题的求解流程和数学模型，并简单介绍了常用的试验设计方法，最后重点阐述了响应面法的基本理论和常用的多目标优化求解方法。
　　基于以上理论，对具有相同高度的单层薄壁扁球壳进行了耐撞性多目标优化。以球壳的曲率半径和厚度为设计变量，以峰值力、比吸能和顶点位移为目标函数，优化时采用了线性加权组合法、理想点法、几何平均法、乘除法四种经典多目标优化方法和NSGA-Ⅱ智能多目标优化算法，得到了该多目标优化问题的Pareto最优解。优化结果表明采用智能优化方法能够得到多目标优化问题的最优解集，而采用经典多目标优化方法只能得到最优解集中的一个解，在知道各目标偏好时，采用经典多目标优化方法也能得到可靠的优化结果。
　　针对两种变形形式的双层充液壳，对其也分别进行了耐撞性优化设计。优化过程中球壳的壳体质量和外壳半径一定，设计变量为双层充液壳的充液高度和内壳厚度，目标函数为壳体顶点位移、峰值力和吸能，采用NSGA-Ⅱ智能多目标优化算法进行优化，得到了该多目标优化问题的Pareto最优解。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．2 薄壁球壳结构研究现状

1．3 结构耐撞性优化设计研究现状

1．4 本文的主要研究内容

第二章 结构耐撞性优化的基本理论

2．1 引言

2．2 结构耐撞性评价指标

2．2 耐撞性优化问题的定义

2．3 试验设计方法

2．4 响应面法理论

2．5 多目标优化问题求解方法

2．5．1 经典多目标优化方法

2．5．2 智能多目标优化方法

2．6 本章小结

第三章 冲击作用下薄壁金属空心球变形研究

3．1 引言

3．2 有限元建模与验证

3．3 变形结果

3．4 径厚比和冲击速度对变形的影响

3．4．1 径厚比的影响

3．4．2 冲击速度的影响

3．5 本章小结

第四章 单层薄壁扁球壳的耐撞性分析与多目标优化

4．1 引言

4．2 数值模型与优化问题描述

4．3 参数分析

4．3．1 同一厚度、不同曲率半径影响

4．3．2 同一曲率半径、不同厚度影响

4．4 优化设计

4．4．1 试验设计及数值模拟结果

4．4．2 优化响应面模型

4．4．3 近似函数验证

4．4．4 响应面

4．4．5 优化结果

4．5 本章小结

第五章 双层充液壳的动力响应

5．1 引言

5．2 有限元建模

5．3 变形形式

5．4 动力响应

5．4．1 水压力时程曲线

5．4．2 接触力时程曲线

5．4．3 能量吸收情况

5．5 本章小结

第六章 双层充液壳的多目标优化设计

6．1 引言

6．2 高充液双层充液壳优化设计

6．2．1 数值模型与优化问题描述

6．2．2 试验设计及数值模拟结果

6．2．3 构造响应面函数

6．2．4 响应曲面

6．2．5 优化结果

6．3 低充液双层充液壳优化设计

6．3．1 数值模型与优化问题描述

6．3．2 试验设计及数值模拟结果

6．3．3 构造响应面函数

6．3．4 响应曲面

6．3．5 优化结果

6．4 本章小结

第七章 全文总结与工作展望

7．1 全文总结

7．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的学术论文