[发明专利]一种面向航空航天薄壳结构的形位偏差特征库建立方法

说明书

本发明属于航空航天结构主承力构件设计技术领域，涉及一种面向航空航天薄壳结构的形位偏差特征库建立方法。包括以下步骤：1)给出适合现场工人测量的壳体质量检测卡，采点测量并填写壳体质量检测卡，获取壳体关键结构参数和形位偏差特征数据；2)对第一步得到的形位偏差数据，进行形位偏差的特征梳理和数学描述，进行缺陷成分分析；3)使用第一步和第二步对于多个典型航空航天薄壁结构的形位偏差数据进行收集和分析，建立航空航天薄壳结构形位偏差特征库。本发明专利有助于建立拥有过我国自主知识产权的航空航天薄壳结构形位偏差特征库，能够有效服务于我国航空航天装备的研制，缩短设计周期，为主要承力薄壳结构提供指导和设计规范。

技术领域

本发明属于航空航天结构主承力构件设计技术领域，涉及一种面向航空航天薄壳结构的形位偏差特征库建立方法。

背景技术

薄壳结构具有高比刚度和高比强度，因此被广泛应用于航空航天结构的主承力构件中。航空航天中主承力薄壳结构主要承受轴压载荷，破坏的主要模式为屈曲失稳，因此薄壳结构在轴压工况下的极限承载能力是航空航天结构设计过程中的关键考核指标。然而通过大量轴压圆柱壳试验发现，试验结果和经典理论存在巨大的差异，试验得到的屈曲载荷往往只有经典理论解得20％-60％，并且实验结果存在巨大的分散和差异性。经过数十年的研究发现，初始几何缺陷的存在是试验结果和理论结果存在巨大差异的主要原因之一。而几何缺陷是加工制造、运输装配、服役等过程中不可避免的，因此如何精确地考虑不同种类的形位偏差(加工制造几何缺陷)是准确预估薄壳结构极限承载力并进行精细化设计的有效途径之一。欧盟采用欧洲钢壳规范的方法，根据初始缺陷的情况对已加工薄壳结构进行评估分级，该方法被认为是圆柱壳稳定设计方面的权威性规范。美国NASA使用实验设备测量圆柱壳蒙皮的完整初始几何缺陷并建立初始几何缺陷数据库，为航天薄壳结构设计起到指导作用。我国运载火箭主承力结构采用网格加筋壳结构形式，建立能够充分考虑加筋薄壳结构中不同种类形位偏差的数值模型，是准确预测薄壁筒壳结构实际承载力的有效途径，也是我国运载火箭简体筒壳结构轻量化设计的基础，建立拥有我国自主知识产权的航空航天薄壳结构形位偏差特征库，更是我国重型运载火箭和大型飞机制造的坚实基础。

航天航空主承力薄壳结构一般包括筒壳结构，锥壳结构，球壳结构和复杂异性曲面薄壳等结构形式。随着有限元等数值分析方法的快速发展，充分考虑形位偏差，建立能够体现不同种类和位置制造几何缺陷的有限元数值模型，进而精确分析计算筒壳结构极限承载能力是航天主承力结构精细化分析与设计的必要途径之一。针对网格加筋薄壳结构，主要的形位偏差包括壳体外表面母线偏移值、端面平整度、蒙皮径向凹陷、焊缝宽度和高度、筋条厚度不均匀度等制造几何缺陷形式。工程中一般采用较为保守的折减因子方法预估薄壳结构的极限承载力，这样限制了航空航天主承力结构的精细化和轻量化设计。因此，亟需建立一种能充分考虑不同种类形位偏差，实现精细化模型的建立方法，并开展一种面向航空航天薄壳结构的形位偏差特征库建立方法，为我国未来重型运载火箭和大型飞机制造提供指导和规范。

发明内容

本发明主要解决现有航空航天薄壳结构数值分析模型难以充分考虑不同类型形位偏差，难以精细化建模并针对形位偏差进行有效收集和分析的问题。提出一种面向航空航天薄壳结构的形位偏差特征库建立方法，通过填写壳体质量检测卡完成制造特征形位偏差的信息汇总和梳理，在完美有限元网格模型的基础上，采用插值和概率估计的方法对有限元模型中节点坐标进行修调，进而获得考虑不同种类形位偏差的精细化有限元模型，达到精细化建模并有效梳理制造特征，指导优化设计的目的。这种方法方便使用，可实现多种形位偏差的特征梳理并在数值模型中有效体现，并且可以完成航空航天薄壳结构形位偏差特征库的建立，为后续多种型号设计提供规范和设计基础，缩短设计周期。

为了达到上述目的，本发明的技术方案为：

一种面向航空航天薄壳结构的形位偏差特征库建立方法，包括以下步骤：