薄壁球殼結(jié)構(gòu)的動力學行為與優(yōu)化設(shè)計.pdf

1、薄壁球殼結(jié)構(gòu)具有質(zhì)量輕、承載力高、能提供安全防護空間的優(yōu)點，廣泛應(yīng)用于航天、航空、航海等交通運輸工具以及機械、化工、建筑等工程領(lǐng)域中。作為一種碰撞動能耗散元件，其變形特點和耐撞性吸能能力一直是科研工作者關(guān)注的焦點。本文以多種形式的薄壁球殼結(jié)構(gòu)作為研究對象，對其在沖擊載荷作用下的動力學行為進行了數(shù)值模擬研究，探討了薄壁金屬空心球和雙層充液薄壁半球殼的變形和動力響應(yīng)特點，并對具有相同高度的單層薄壁扁球殼和不同充液高度的雙層充液薄壁半球殼進行

2、了耐撞性優(yōu)化設(shè)計，具體內(nèi)容如下:
　　對不同徑厚比的薄壁金屬空心球在不同沖擊速度下的變形過程進行了數(shù)值模擬研究。其壓縮變形失效過程可分為六個階段:局部壓平;軸對稱凹陷;形成非對稱的多邊形凹陷;空心球內(nèi)表面接觸并相互作用;側(cè)壁失效;密實階段。同時還研究了徑厚比和沖擊速度對其變形過程的影響。計算結(jié)果表明:不同徑厚比的空心球在內(nèi)表面接觸前的變形過程基本一樣，在內(nèi)表面接觸后，殼體的翻轉(zhuǎn)方向不同;徑厚比越大，接觸力越小，殼體越容易形成多邊形

3、模式，徑厚比對空心球壓縮時的不對稱度影響較小;沖擊速度越大，空心球底部發(fā)生凹陷的時間越早，產(chǎn)生的不對稱度也越大，殼體會產(chǎn)生較大的接觸力初始峰值。
　　對四種充液高度的雙層充液薄壁半球殼在落錘沖擊作用下的動力響應(yīng)過程進行了數(shù)值模擬研究。結(jié)果表明，其變形形式可以分為兩種類型:高充液情形和低充液情形。對于高充液雙層充液殼，內(nèi)殼底部發(fā)生凹陷，而對于低充液雙層充液殼，內(nèi)殼頂部發(fā)生凹陷。雙層充液殼的頂部和底部的水壓力時程曲線、接觸力時程曲線和

4、能量吸收情況的分析顯示:隨著充液高度的增加，底部水壓力峰值逐漸增加，接觸力峰值也逐漸增加;沖擊過程中產(chǎn)生的沖擊能量主要由外殼吸收，在內(nèi)殼發(fā)生凹陷變形時，內(nèi)殼也吸收了一定數(shù)量的能量，而水吸收的能量相對于總能量來說很少。
　　基于試驗設(shè)計和響應(yīng)面法的代理模型技術(shù)是進行薄壁結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化的主要方法。本文對常用的耐撞性評價指標作了簡要描述，給出了耐撞性多目標優(yōu)化問題的求解流程和數(shù)學模型，并簡單介紹了常用的試驗設(shè)計方法，最后重點闡述了響應(yīng)面

5、法的基本理論和常用的多目標優(yōu)化求解方法。
　　基于以上理論，對具有相同高度的單層薄壁扁球殼進行了耐撞性多目標優(yōu)化。以球殼的曲率半徑和厚度為設(shè)計變量，以峰值力、比吸能和頂點位移為目標函數(shù)，優(yōu)化時采用了線性加權(quán)組合法、理想點法、幾何平均法、乘除法四種經(jīng)典多目標優(yōu)化方法和NSGA-Ⅱ智能多目標優(yōu)化算法，得到了該多目標優(yōu)化問題的Pareto最優(yōu)解。優(yōu)化結(jié)果表明采用智能優(yōu)化方法能夠得到多目標優(yōu)化問題的最優(yōu)解集，而采用經(jīng)典多目標優(yōu)化方法只能得