多級加筋板結構承載性能與缺陷敏感度研究①

王 博，田 闊，郝 鵬，杜凱繁，周 演， 蔣亮亮，駱洪志，陳友偉

(1.大連理工大學 工程力學系,工業裝備結構分析國家重點實驗室，大連 116024； 2.北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

加筋板作為一種典型的薄壁結構形式，具有較高的比強度和比剛度，廣泛應用于運載火箭的燃料貯箱[1]、導彈的級間段[2]等。提高加筋板在軸壓工況下的極限承載性能,已成為載人航天與探月工程任務工程設計的目標。近年來學者們開展了系列工作：Bushnell[3]發現當加筋板具有不同高度的加筋時會提高結構的線性局部屈曲載荷值。在此基礎上，Watson[4]考慮了加筋板的后屈曲能力，并基于VICONOPT軟件對加筋板的筋高進行了優化設計。Murphy[5]、Quinn等[6-7]采用數值分析與實驗相結合的手段，驗證了在初始筋條間引入細密的子筋(Substiffener)可有效改善結構抗局部屈曲效果，進而提高結構極限承載能力。

為提高加筋板結構的極限承載能力，梁東平[8]、榮曉敏[9]等針對完美加筋板結構開展了相關的結構優化設計工作。Paulo[10]、郝鵬[11]等指出，忽略缺陷影響，一味追求結構減重和承載力最大所獲得的最優設計往往表現為對缺陷非常敏感。而實際工程中缺陷是不可避免的，因此基于缺陷敏感度的承載力評估具有重要意義。王博[12]、郝鵬[11]曾基于數值分析手段，考察了加筋柱殼對單點凹陷缺陷和模態缺陷的缺陷敏感度。Hao和Wang[13]還在考慮后屈曲極限承載能力的前提下，發展了基于名義承載力指標的加筋筒殼結構最優設計方法，有效獲得不同類型初始缺陷下的加筋筒殼結構的最優設計。此外，Rigo[14]、Lynch[15]和Yoon[16]等也研究了不同形狀和幅值的缺陷對傳統單級加筋板極限承載能力的影響。調研文獻表明，通過加筋構型改變，提高結構抗缺陷能力的研究工作并不多見，其中Quinn[6-7]等實測了一種多級加筋板的幾何缺陷并進行實驗分析。因此本文將圍繞多級加筋板結構，基于數值分析開展相應的承載性能與缺陷敏感度分析研究工作。

本文首先針對軸壓工況下相同質量的單級與多級加筋板進行極限承載力分析，從多級加筋板失穩趨于局部化的角度闡釋了其具有較高承載性能的力學機理；進而分析了筋高比對完美多級加筋板極限承載能力的影響；文中以單點凹陷缺陷為例，對單級與多級加筋板開展了缺陷敏感度分析，考察了單點凹陷缺陷的幅值與位置的影響；最后分析了筋高比對含缺陷的多級加筋板極限承載能力的影響。

1 多級加筋板極限承載能力分析

1.1 多級加筋板模型描述

本文對多級加筋板性能的研究均以等質量的傳統單級加筋板作為對比。傳統的單級加筋板結構示意圖如圖1(a)、(b)所示。加筋板蒙皮長度Lm=480 mm，寬度bm=360 mm，厚度tm=2 mm。共有9根加筋條，其高度hr=12 mm，厚度tr=4 mm，筋條間的間距br1=40 mm，蒙皮側邊與鄰近的筋條距離br2=20 mm。本文提出的新型多級加筋板結構在不改變原有單級加筋板的結構布局與整體質量的條件下，僅對筋條高度進行調整，其中大筋高hl=20 mm，大筋厚tl=4 mm，小筋高hs=8 mm，小筋厚ts=4 mm，結構形式如圖1(c)、(d)所示。模型材料選用2024號鋁合金，是國內飛機、導彈與運載火箭結構中承力結構常用的鋁合金牌號。其彈性模量E=72 000 MPa，泊松比ν=0.31，密度ρ=2.8×10-6kg/mm3，屈服強度363 MPa，強度極限463 MPa，延伸率12%。

(a)傳統單級加筋板 (b)傳統單級加筋板剖面

(c)多級加筋板 (d)多級加筋板剖面

1.2 多級加筋板極限承載力分析

對于加筋板結構，顯式動力學方法的準靜態求解技術可準確模擬結構后屈曲行為，并能相對較快地得到結構極限承載力，且該方法穩健、不存在收斂性問題[17-18]。因而，本文基于商用有限元軟件ABAQUS的顯式動力學方法開展結構極限承載性能與缺陷敏感度評估。為模擬出準靜態加載，需對模型加載時間進行依賴性分析，確定顯式動力學分析的加載時間取為200 ms，加載總位移為2 mm。采用四節點殼體減縮積分單元S4R對加筋板模型進行離散，并進行單元依賴性分析確定最終的單元尺寸為5 mm。模型側邊自由，底端固支，頂端約束除軸向位移外的其余自由度，并將頂端面所有節點剛性耦合至參考點，在參考點上施加軸壓位移載荷直至結構發生失穩破壞。

通過顯式動力學分析，圖2給出了單級與多級加筋板的位移-載荷曲線及其失穩時的變形云圖，其中單級加筋板與多級加筋板極限承載值分別為165.9 kN和181.4 kN，在質量和加筋布局相同的條件下多級加筋板的極限承載力相較于單級加筋板提高了9.3%。通過對比加筋板失穩過程的變形云圖可發現，單級加筋板在y向上均布單一尺寸的加筋，因而y-z向抗彎剛度分布呈現單一、相對均勻的周期性變化，這導致在x方向受壓的情況下，結構局部失穩波形將快速擴展，易引發總體屈曲變形進而導致結構整體失效，表現出結構整體剛度迅速地折減；而多級加筋板由于剛度分布不均，容易將結構失穩變形抑制在大筋之間的局部區域內，而小筋實現了薄蒙皮的局部加強，由于大筋抗彎剛度較大，整體失穩波形被大筋間隔，呈現出“失穩局部化”，這種難以擴展的失穩現象，對保持結構x方向的極限承載力非常有利。

圖2 傳統單級與多級加筋板位移-載荷曲線

2 筋高比對完美多級加筋板極限承載能力的影響

對多級加筋板而言，大筋與小筋的“筋高比”反映了加筋板的y-z方向局部抗彎剛度分配與x方向抗壓剛度分配情況，其對加筋板的承載力存在較大影響。前一章給出的多級加筋板模型的大筋高度hl=20 mm，小筋高度hs=8 mm，筋高比hl/hs=2.5。而單級加筋板可理解為筋高比hl/hs=1.0的多級加筋板。為討論筋高比的變化對于多級加筋板承載力的影響，本章保持結構質量及筋條厚度不變，僅改變筋高比，使其在1.0～10.0范圍內變化。圖3繪制出結構極限承載力關于筋高比變化的曲線圖。

由圖3可明顯看出，由于加筋板筋高比的變化，導致加筋板呈現出不同的失穩模式：(1)在筋高比1.0～4.5范圍內，隨著筋高比的提高，由于大筋剛度相對增大，失穩波形被更有效地抑制在大筋間的局部區域，此時，相對減小的小筋仍能對局域內蒙皮維持增強作用，使得多級加筋板的極限承載載荷值逐漸增大。從失穩波形的變化可看出，在筋高比1.0時結構發生整體失穩，只在中部產生一個橫貫的大失穩波，而在筋高比2.5時橫向失穩波數變為2個，失穩趨于局部化。(2)在筋高比4.5～5.0范圍內，承載力曲線出現極值，此時小筋隨著筋高比變大而剛度變小，在局部區域內對蒙皮的增強作用相應減弱，使得多級加筋板過早地發生局部屈曲進而導致失穩，因而承載力曲線開始呈現下降趨勢。(3)在筋高比5.0～7.5范圍內，小筋高度進一步降低，導致局部增強作用的弱化，x方向軸壓更多地由抗壓剛度增大的大筋承擔，使得大筋剛度對提高結構極限承載性能起主導作用，因而隨著筋高比的提高，曲線呈現漸變增大的趨勢。(4)在筋高比7.5～10.0范圍內，大筋高度遠大于小筋，其相應的抗壓剛度也遠大于小筋，因此大筋作為主要的承力結構，而小筋的作用主要表現為抑制局部失穩的抗彎能力。

圖4給出了各筋高比對應的極限承載時的應力云圖，需要說明的是，白色區域為進入塑性的部分。由圖4可知，作為主要承力結構的大筋與蒙皮開始大面積進入塑性，x方向軸壓內力的重分布造成結構發生材料非線性失穩，這種失穩模式與材料屈服強度緊密相關，若不改變材料，則發生材料非線性失穩時的極限承載力將保持不變，這就造成了曲線趨于穩態。

圖3 完美多級加筋板結構筋高比-載荷曲線

圖4 多級加筋板極限承載時刻的應力云圖

對于本章算例而言，筋高比為1.0時的加筋板是單級加筋板，其極限承載力為極小值165.9 kN，而當筋高比為4.5時加筋板結構極限承載力為極大值247.8 kN，承載力提高了49.4%，此時發生了有利于保持承載力的失穩模式。這至少可揭示，若能合理地分配大小筋的剛度比，可有效提高多級加筋板的承載性能，且相較于傳統單級加筋板具有更大的優化設計空間。

3 多級加筋板缺陷敏感度分析

從之前討論的“失穩局部化”有利于保持結構承載力這一現象可預測到，多級加筋結構形式可能有利于抑制局部缺陷誘發的出平面變形，進而保持更高的極限承載力，表現出較好的抗缺陷設計潛力。

3.1 幾何缺陷的表征

加筋板在制造、運輸和使用過程中不可避免地會產生缺陷。本文通過改變模型節點坐標的方式將初始幾何缺陷引入完美結構中，其表征方式如式(1)和式(2)所示：

X=XP+XI

(1)

XI=αδφ

(2)

式中XP表示完美結構的節點坐標矢量；XI表示幾何缺陷引起的結構節點坐標偏移矢量；δ表示蒙皮厚度與筋條高度的和；φ表示歸一化的缺陷基矢量，可以為單點凹陷、結構一階特征值屈曲模態矢量等；α表示無量綱化的缺陷幅度，取值范圍為[0,1]，當α=0時代表完美結構模型，α=1代表引入缺陷幅值最大時(幅值等于蒙皮厚度與筋條高度的和)的含缺陷模型。

3.2 單點凹陷缺陷

相較于其他初始缺陷形式，單點凹陷缺陷在工程實際中更為高發，在加筋板的加工、裝配、運輸和服役期間均有可能因為外力撞擊而在結構表面產生。

在數值方法的實現上，本文采用與文獻[19]相同的方法引入缺陷，即在蒙皮上施加法向集中力，以其為擾動載荷(Perturbation Load)，并將計算得出的節點坐標偏移矢量XI映射至完美結構，形成含缺陷的加筋板模型，如圖5所示。

圖5 單點凹陷缺陷示意圖

3.3 多級加筋板缺陷敏感度分析

本文中單點凹陷缺陷敏感度分析的流程為：首先計算出完美加筋板模型軸壓下的極限承載力；對完美加筋板模型施加擾動載荷，得到單點凹陷缺陷；將單點凹陷缺陷映射至完美結構形成含缺陷的加筋板模型，并計算其極限承載力；以含缺陷加筋板模型與完美結構模型的軸壓承載力比值評價結構的抗缺陷能力，稱其“折減因子”，該值越大，表示結構抗缺陷能力越強，缺陷敏感度越低。

針對第一章中的單級與多級加筋板模型開展單點凹陷缺陷敏感度分析。當施加的法向集中力為8 kN時加筋板產生的凹陷值為8.4 mm，接近于加筋高度和蒙皮厚度之和，以其作為大幅單點凹陷缺陷。同時，由于單點凹陷的產生具有不確定性，因而十分有必要考察不同幅度的凹陷發生在大筋、小筋和蒙皮等不同局部區域時對加筋板缺陷敏感度的影響，其布局示意圖如圖6。

圖6 單點凹陷缺陷布局示意圖

圖7所示為單級與多級加筋板缺陷敏感度曲線，可看出不同的單點凹陷缺陷位置分布，會對加筋板的剛度有不同程度的折減，因而對極限承載力造成不同的影響。隨著缺陷幅值的增大，單級與多級加筋板的極限承載力都呈下降趨勢，但多級加筋板曲線下降幅度明顯小于單級加筋板。發生大幅缺陷時(擾動載荷值為8 kN)，單級加筋板折減因子為0.64，而多級加筋板為0.77，可知多級加筋板具有更優異的抗缺陷能力、更低的缺陷敏感度。為了更清晰地揭示多級加筋板低缺陷敏感度的力學機理，本文以發生在Y4位置、擾動載荷為1 kN的小幅缺陷為例，給出含缺陷的單級與多級加筋板位移-載荷曲線，如圖8所示。發現相較于單級加筋板，多級加筋板由于加筋形貌更為豐富，導致其局部抗彎剛度呈現周期性變化，可有效將缺陷誘發的局部失穩抑制在局部區域內，表現出更優異的抗缺陷能力。

圖7 傳統單級與多級加筋板單點凹陷缺陷敏感度曲線

圖8 含缺陷的傳統單級與多級加筋板位移-載荷曲線

針對第一章中的多級加筋板模型，在結構Y4位置施加5 kN的法向集中力來引入單點凹陷缺陷，考察含缺陷模型的極限承載力隨筋高比的變化趨勢，并與第二章中由完美結構得出的變化曲線進行對比。結果如圖9所示，同時給出了極限承載條件下加筋板的變形云圖。隨著筋高比的提高，含缺陷模型的極限承載力逐漸增大，這與第二章所得出的完美加筋板結構隨筋高比的變化趨勢有明顯差異：完美結構情況下，筋高比的變化導致了不同的失穩模式，因而曲線并未呈單調變化趨勢；而含缺陷多級加筋板具有較為一致的失穩模式，即由單點凹陷引發局部出現平面變形，使結構較早地進入局部屈曲，繼而變形逐步增大導致結構失效。多級加筋板由于具有非均勻、層級化的剛度分布，可有效將變形抑制在相鄰大筋之間，從而提高結構后屈曲承載能力，并且隨筋高比增大，剛度層級化分布現象更為明顯，造成結構對變形的抑制效果也逐漸增強，因而曲線表現出遞增趨勢。由圖9可知，實現結構承載力最大化的設計目標時，完美與含缺陷結構的最優筋高比不同，因而在實際工程中需考慮缺陷對結構承載性能的影響。

圖9 含缺陷多級加筋板筋高比-載荷曲線

4 結論

(1)相較于傳統的單級加筋板結構，多級加筋板具有更優異的承載性能與抗缺陷能力，可作為航天領域一種新型結構儲備。

(2)合理分配大小筋的筋高比可改變結構失穩模式，繼而主動提升多級加筋板的承載效率，且相較于傳統單級加筋板具有更大的優化設計空間。

(3)僅針對完美加筋板的結構設計在實際工程中易導致不合理的設計，應該采用基于缺陷敏感度分析的設計理念。

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