一、      研究目的与意义

在运载火箭的研制中，为追求最大运载效率，其一级箭体采用超高强度铝合金薄壁圆筒结构，以尽可能减轻结构重量。火箭在发射和飞行过程中，箭体主要承受来自发动的机巨大轴向推力以及由气动阻力和控制系统产生的弯矩。在这种以轴向压力为主的复合载荷下，薄壁壳段存在发生失稳破坏的风险，其破坏荷载远低于材料的屈服强度。为确保运载火箭一级箭体在极端载荷下的结构稳定性，防止其在达到材料强度极限前发生失稳破坏，需通过建立火箭箭体薄壁圆筒的有限元模型，进行线性屈曲分析，预测其在不同屈曲模态下的临界失稳载荷及相应的变形形态，明确结构的稳定性能边界，为结构设计与优化提供关键的理论依据和数值验证。

通过本项目的研究，（1）深化对薄壁圆柱壳结构在轴向压力作用下屈曲机理的认识，为后续的非线性屈曲、后屈曲分析及动力响应分析奠定基础；（2）屈曲是薄壁圆筒结构的主要失效模式之一，通过屈曲分析可确保设计具有足够的安全储备；（3）基于评估不同设计参数（如厚度、加筋方案）对稳定性的影响，可在保证稳定性的前提下实现结构重量的最小化提供科学指导；（4）相较于代价高昂的全尺寸试验，数值分析能快速低成本的筛选和优化设计方案。同时分析结果可为试验提供理论指导和重点关注区域，提高试验的针对性和效率。

二、      研究目标与内容

1. 研究目标：

1)   确定屈曲模式：获取薄壁圆筒结构的前4-6阶屈曲模态（如2阶波形、3阶波形、4阶波形等），明确结构失稳时的典型变形特征与波形分布规律。

2)   临界载荷确定：计算并给出各阶屈曲模态对应的特征值（屈曲荷载因子），进而确定结构发生失稳的临界轴向压力值。

1. 研究内容：

1）  有限元模型的建立：根据几何参数（直径、筒段长度、蒙皮厚度），在有限元软件中建立薄壁圆筒壳模型。定义材料属性（高强度铝合金的弹性模量、泊松比等）。施加载荷与边界条件：在筒段一端施加轴向压力，另一端施加固支或简支约束，以模拟发动机推力传递和箭体连接的实际工况。

2）  线性屈曲分析：设置分析步进行线性屈曲计算，求解特征值问题，确定结构发生失稳的临界轴向压力值。

3）  结果提取与后处理：提取前几阶屈曲模态的位移云图，观察并总结失稳波形的周向波数(n)和轴向半波数(m)，记录各阶模态的特征值。

4）  参数化分析与初步优化：研究关键设计参数，如筒壁厚度t的变化对临界载荷的影响规律，探讨增设环向或纵向加筋对提高屈曲临界载荷的效果。

三、特色及创新点

1. 紧扣工程实际：本研究源于运载火箭中“减重”与“承载”的核心矛盾，研究对象和载荷工况具有明确的工程背景。
2. 多模态分析揭示失效机理：不仅关注一阶屈曲模态，还系统分析高阶模态。这有助于全面了解结构的失稳行为，识别在制造缺陷或特定载荷下可能被激发的高阶失稳风险，为容差设计和试验监测提供更全面的信息。
3. 数值仿真与经典理论相结合：采用有限元软件进行数值计算，将分析结果与经典的圆柱壳屈曲理论进行对比验证。
4. 为后续研究奠定基础：本项目的线性屈曲分析结果是进行更复杂的非线性屈曲分析、考虑初始缺陷敏感性问题以及结构优化设计的必要前提，项目具有很好的延展性。

四、学生获得的训练

通过完成本项目，学生将在知识技能和综合素养方面获得训练和提升：

1. 专业知识深化：深刻理解稳定性的基本概念和薄壁结构的屈曲失效机理。掌握线性屈曲分析的理论基础、适用条件及其在航空航天结构中的应用。
2. 工程软件应用能力：熟练掌握有限元分析软件的建模、网格划分、求解器设置和后处理操作，具备利用数值仿真工具解决复杂工程问题的能力。
3. 建模与仿真能力：学习如何将实际的工程结构合理简化为有效的计算模型。掌握载荷与边界条件的合理施加方法，理解其对计算结果的影响。
4. 数据分析与可视化能力：学会提取、解读和评判复杂的数值计算结果，能够通过云图、曲线等形式直观展示屈曲模态和参数影响规律，并从数据中提炼出有工程价值的结论。

五、预期成果

    1.发表论文1篇；

    2.其他成果：图纸、展板、学生心得体会等。

(1)  具备扎实的力学基础，熟悉工程力学、结构力学等相关知识；

(2)  掌握或了解有限元仿真软件者优先；

(3)  掌握Office办公软件的基本操作；

(4)  具有严谨的学术态度与团队协作精神。