[发明专利]一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法

说明书

本发明公开的一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法，包括以下步骤：S1：建立舱体主结构全尺寸有限元模型作为1级母模型；S2：针对主结构失效方式进行有限元计算，计算方法涵盖结构稳定性分析和静力强度分析；S3：对主结构失稳载荷低于1.5倍设计载荷的局部失稳位置进行危险性评估，选定细化分析区域；S4：对主结构强度剩余系数低于1.3的应力危险区域进行危险性评估，选定细化分析区域；S5：以S3、S4中的细化分析区域建立有限元1级子模型；S6：建立子模型与母模型的有限元连接模型；S7：将含有过渡模型的子模型提交有限元计算；S8：重复S1～S7步骤，直至模型足够精细。

技术领域

本发明涉及运载器、飞行器强度设计领域，具体涉及舱体主结构强度的数值分析方法。

背景技术

当前的航天发展形势给仿真行业提出了空前的挑战。一方面，轻量化设计使得结构设计裕度不断降低，这给仿真预试的准确性提出了严格的要求。另一方面，密集发射、密集设计又使得工作效率需要不断提升，落实在仿真行业即为不断地提升仿真建模和分析效率。对于复杂载荷、复杂布局的舱体结构，仿真方法准确性和计算效率的矛盾更为突出，因此必须研究一种可以兼顾准确性和计算效率的有限元分析方法。

传统的有限元分析常采用多模型计算解决以上矛盾。建立整体模型用于分析结构整体稳定性和主传力部件的强度失效问题。建立局部模型用于分析局部区域在承受复杂载荷下可能发生的失效问题。这种分析思想隐藏了三个隐患。首先，整体模型的简化有可能忽略结构传力路径上的失效行为。例如，部件之间的连接若采用刚性约束代替，则无法分析出连接失效形式。其次，局部模型往往与整体模型割裂。局部模型的分析区域往往由设计师凭借工程经验确定，可能与整体模型的危险区域并不一致。而且，局部模型的边界常为固支或简支边界，与整体模型并无关系。这种割裂使得局部模型分析的覆盖度和精度有一定程度的降低。

本发明公开了一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法，该方法能够准确、有效地计算复杂舱体的失效位置与承载能力，可以广泛应用于航天运载器、飞行器的舱体结构设计。

发明内容

本发明提供一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法，吸取了传统有限元的多模型分析思想，但通过识别破坏行为、引入多模型之间的边界关系，建立多模型之间的联系，避免传统多模型分析覆盖性和精度降低的隐患。这种分析方法的计算效率和计算精度已得到多次的静力试验验证。

本发明通过以下技术方案实现：

一种复杂载荷条件下的结构层级式有限元仿真分析方法，包括以下步骤：

S1：建立舱体主结构全尺寸有限元模型作为1级母模型；

S2：针对主结构失效方式进行有限元计算，计算载荷为设计载荷，计算方法涵盖结构稳定性分析和静力强度分析；

S3：进行主结构稳定性分析后处理，分析失稳载荷低于1.5倍设计载荷的局部失稳位置，进行危险性评估后选定细化分析区域；

S4：进行主结构静力强度分析后处理，分析强度剩余系数低于1.3的应力危险区域，进行危险性评估后选定细化分析区域；

S5：以S3、S4中的细化分析区域建立有限元1级子模型，视模型进行单元简化；

S6：建立子模型与母模型的有限元过渡模型，该模型可以真实地传递母模型内部边界区域的位移场和应力场；

S7：将含有过渡模型的子模型提交有限元计算；

S8：如果1级子模型仍不能详细反映结构破坏方式，可以1级子模型作为2级母模型，重复S1～S6步骤，直至模型足够精细。

较佳的，步骤S1中蒙皮、桁条、框、加强件均简化为板单元，铆钉或螺栓简化为梁单元。梁单元与板单元之间采用共节点或局部多点约束连接。