运载火箭壳体结构稳定性分析及优化设计
摘要
网格加筋圆柱壳体结构广泛应用于航天运载器以及导弹等的主要结构承力部位，采
用加筋方式可以有效提高壳体结构的抗扭、抗弯以及抗剪等力学性能，对其进行结构稳
定性分析及优化设计尤为重要，是确定结构设计方案是否安全以及是否经济的主要依据。
结构稳定性分析及优化设计方案是否可靠、合理取决于结构有限元模型是否与实际结构
相符，仿真分析结果是否准确以及优化设计使用的方法能否寻找到全局最优解并收敛。
以下几个方面是本文的主要研究内容：
（1）对网格加筋圆柱壳体结构稳定性分析的方法展开研究，采用有限元显式动力
学分析方法来求解结构的非线性屈曲响应以及轴压极限载荷，通过仿真算例对几种分析
方法进行对比，证明建立有限元模型的方法和显式动力学分析方法的正确性和实用性。
对模型网格精度以及加载时间进行研究，设计基于有限元显式动力学分析方法的网格加
筋圆柱壳体结构稳定性分析仿真方案，分析等边三角形网格加筋壳体各个结构设计参数
对其轴压极限载荷的影响。
（2）讨论一种基于等效刚度思想的模型等效方法，用以解决基于代理模型对加筋
壳体进行结构优化设计时，在样本采集环节所需时间过多，导致优化效率不高的问题，
以等效模型的仿真分析代替样本采集中的大量精细模型分析。对比等效模型仿真结果与
精细模型仿真结果，其结果证明在样本采集阶段使用等效模型代替精细模型的可行性。
（3）讨论一种灰狼优化算法优化BP神经网络（GWO-BP）的代理模型构建方法，
通过和传统用于加筋壳体结构优化设计的代理模型在拟合精度和预测结果方面进行对
比，分析结果证明GWO-BP神经网络代理模型具有更高的拟合精度与更好的预测效果。
（4）对传统灰狼优化算法进行适用于本文优化求解问题的针对性改进，发展一种
基于等效刚度模型、GWO-BP神经网络代理模型和改进灰狼优化算法的混合结构优化设
计框架，并且将其用于三角形网格加筋圆柱壳体的结构优化设计中。对多组设计算例优
化结果的分析表明：在保证计算精度的条件下，本文提出的混合优化框架在满足优化约
束的情况下对目标函数的优化效果明显并且具有更高的优化效率。
关键词：网格加筋圆柱壳体；稳定性分析；极限载荷；结构优化设计；代理模型
运载火箭壳体结构稳定性分析及优化设计
Abstract
Thegrid-stiffenedcylindricalshellstructureiswidelyusedinthemainstructuralload-
bearingpartsofaerospacevehiclesandmissiles.Thereinforcementmethodcaneffectively
improvethemechanicalpropertiesoftheshellstructuresuchastorsionresistance,bending
resistance,andshearresistance.Itisparticularlyimportanttocarryoutstructuralstability
analysisandoptimaldesign,whichisthemainbasisfordeterminingwhetherthestructural
designschemeissafeandeconomical.Whetherthestructuralstabilityanalysisandoptimal
designschemeisreliableandreasonabledependsonwhetherthestructuralfiniteelementmodel
isconsistentwiththeactualstructure,whetherthesimulationanalysisresultsareaccurate,and
whether