1.本发明属于工程结构技术领域，特别涉及一种基于斐波那契螺旋线的仿生加筋壁板设计方法及仿生加筋壁板。
背景技术：
2.作为工程结构技术领域的研究热点，结构的轻量化与高承载性能之间的平衡设计长期受到广泛关注。加筋壁板的设计以其轻质、高效，抗屈曲等优点，其应用日趋广泛。目前工程应用中常见的加筋壁板布局包括等间隔加筋，格栅型加筋等，但在实际应用中我们发现常见的等间隔加筋，格栅型加筋形式，容易在蒙皮开孔等位置因局部屈曲产生结构失效破坏模，而且这些常规的加筋布局形式，在壁板结构性能上仍存在不足。而且，现有加筋壁板结构较为单一，没有对不同的地方设计相应的加筋壁板结构，并未发挥材料最大承载效能，降低了结构设计的灵活性，不利于结构的轻量化设计。
技术实现要素：
3.本发明针对传统加筋布局形式结构性能不足、对局部开孔的承载优化不足等问题，结合仿生机理，提出一种基于斐波那契螺旋线的仿生加筋壁板设计方法及仿生加筋壁板，能够有效提高加筋壁板结构性能、局部开孔处的强度和抗屈曲能力。通过对加筋布局的设计，对壁板蒙皮开孔附近容易屈曲的区域进行针对性加强，使受加载容易屈曲破坏的孔得到了局部加强，进而开孔处有良好的抗压，抗扭转性能。4.发明效果5.本发明的技术效果在于：6.1.本发明采用仿生方式，充分利用自然界中的向日葵，松子等植物的特性，对蒙皮加筋壁板结构容易屈曲的部分进行仿生加筋设计，充分提高了蒙皮加筋结构的抗屈曲能力。使用本技术方案对加筋壁板进行优化，可以实现对结构进行针对性补强的目的。7.2.本发明通过选用不同的加筋参数，可以针对不同工况大范围调节加筋壁板8.结构的抗屈曲性能，对于加筋壁板结构具有普适性。9.3.本发明设计衍生出的加筋壁板结构具有较高强度和刚度，其系列加筋可以用于航空航天飞行器和军用车舰的覆盖件，对舰体以及机身外部提升承载能力具有重要意义，从而达到提升产品性能的目的。附图说明10.图1、2、3、4显示了一种基于斐波那契螺旋线的加筋壁板结构。11.图1(a)为典型模型示意图，图1(b)为加筋参数示意图；12.图2(a)为斐波那契螺旋线的斐波那契关键点的生成，图2(b)为斐波那契关键点的半径更新增量δ更新的过程，图2(c)为斐波那契关键点的连接方式示意图，图2(d)为斐波那契螺旋线的拟合示意图；13.图3为基于斐波那契数列的加筋壁板建模示意图；14.图4为本发明基于不同参数的斐波那契螺旋线的加筋壁板结构。15.图5为不同参数下加筋壁板的屈曲模态模态16.图6为四种工况示意图17.图7为边缘投影为圆形的结构各工况屈曲一阶模态18.图8为边缘投影为矩形的结构示意图19.图9为边缘投影为矩形的结构各工况屈曲一阶模态具体实施方式20.下面结合具体实施例描述本发明，在实施例的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。21.本发明采用基于斐波那契螺旋线的仿生设计方法进行仿生加筋壁板设计。所述加筋壁板结构33由壁板31和壁板加筋32通过几何布尔运算合并生成。斐波那契螺旋线由斐波那契关键点按照一定原则拟合生成。斐波那契关键点由半径更新增量δ按照一定原则生成。斐波那契关键点的生成原则以及斐波那契螺旋线的生成原则均是本领域技术人员的公知技术手段。22.在壁板内设计符合斐波那契螺旋线的壁板加筋；首条斐波那契螺旋线的起点位于壁板上，优选位于壁板的几何中心位置，若壁板内开孔，则首条斐波那契螺旋线的起点优选壁板内开孔的圆心位置。23.壁板加筋的布局由斐波那契螺旋线的条数c和ac，以及半径更新增量δ确定。24.斐波那契螺旋线的条数c和ac取值为斐波那契数列中相邻的两个整数，如3和5，5和8，8和13等。25.斐波那契螺旋线由斐波那契关键点依据三次样条、b样条或其他曲线插值拟合得到。26.所述壁板加筋32的截面形状为任意的，如t形截面加筋和z形截面加筋。27.为使本发明的技术特征、目的和效果更加清楚，下面对照附图做详细说明。28.如图1所示，加强筋是一种和壁板具有相同材料的实体，并且加筋的形状不局限于只有矩形的形式，可以设计为z形加筋或者t形加筋，其中，w为加筋2的宽度，h为加筋32的高度，t为加筋平板31的厚度，r为加筋平板31的开孔半径。。29.图2所示为本发明的螺旋线中的斐波那契关键点和连接方式的结构示意图，图2(a)和图2(b)为斐波那契关键点随着半径更新增量δ更新的过程，斐波那契关键点编号越大，则其距离几何中心点越远。斐波那契关键点编号参照图2(c)，由起点(如开孔的几何中心)开始，斐波那契关键点的坐标向外进行不断递增，螺旋线分为顺时针和逆时针两种连接方式。以下将“斐波那契关键点”简称为“节点”。节点1顺时针方向连接节点14，节点27，节点40，节点53，节点66，节点79，节点92，节点105，节点118，节点131，节点144，节点157，节点170，节点183，节点196。节点编号每次增加量为13。同理，节点2顺时针方向连接节点15，节点28，节点41，节点54，节点67，节点80，节点93，节点106，节点119，节点132，节点145，节点158，节点171，节点184，节点197，节点编号每次增加13，其余顺时针方向的曲线不再赘述。节点1逆时针方向连接节点22，节点43，节点64，节点85，节点106，节点127，节点148，节点169，节点190，节点编号每次增加21。同理，节点2逆时针方向连接节点33，54，75，96，117，138，159，180，节点编号每次增加21。顺时针和逆时针的节点编号增加量满足斐波那契数列1，1，2，3，5，8，13，21，34，55中的相邻两数。30.图2(d)为根据图2(c)所示斐波那契关键点拟合生成的斐波那契螺旋线。31.图3所示为基于斐波那契数列的加筋壁板建模示意图。由图2所示的斐波那契关键点和连接方式进行插值，并形成斐波那契螺旋线，对螺旋线进行拉伸，并将拉伸后的曲面进行加厚，最后形成了如同花朵一样的加筋壁板结构，对孔周围的强度和抗屈曲能力进行了大幅的提升。32.图4所示为本发明基于不同参数的斐波那契螺旋线的加筋壁板结构，其中第一行的结构为改变壁板加筋数量的模型(c为顺时针方向的曲线数量，ac为逆时针方向的曲线数量)，第二行的结构为改变曲线半径更新增量δ的大小的模型，并通过调整壁板加筋厚度的方式控制其体积相等。33.参见图5，所述基于斐波那契螺旋线的仿生加筋壁板设计，壁板加筋的布局由斐波那契螺旋线的条数c和ac，以及半径更新增量δ确定。斐波那契螺旋线的条数和半径更新增量δ可以在一定范围内对基于斐波那契螺旋线的仿生加筋壁板抗屈曲性能进行调控。图4所示为本发明基于不同参数的斐波那契螺旋线的加筋壁板结构。对所有结构进行线弹性失稳分析(特征值屈曲分析)，取一阶模态可以得到如图5的结果。34.根据线弹性失稳分析理论失稳临界载荷为特征值乘实际载荷，即：35.pcr＝λ×f36.其中pcr为失稳临界载荷，λ为屈曲分析特征值，f为实际载荷，在仿真加载时，实际载荷f＝1n。37.从仿真结果可以看出选取不同的参数对结构的失稳临界载荷影响很大。因为斐波那契螺旋线的条数为离散变量，半径更新增量δ为连续变量，控制这两个变量就可以在很大范围内对壁板的抗屈曲的性能进行调整。38.为了验证基于斐波那契螺旋线的仿生加筋壁板设计加筋的性能，选择了工程中常用的抛物面与放射状加筋进行对比。为了对比更加合理，选择了边界曲线投影为圆形和矩形的两种模型进行对比。四种工况如图6所示。39.参见图7，图中所示为四种工况下基于斐波那契螺旋线的仿生加筋壁板和放射状加筋壁板的屈曲一阶模态对比，可以看出，在曲面加筋的情况下施加的外力并不是沿着曲面材料的分布方向，因此外力主要对加筋结构产生弯矩形成了局部失稳。但是对比两种结构的屈曲特征值可以看出基于斐波那契螺旋线的仿生加筋壁板在四种工况下的性能均大幅优于放射状加筋壁板。从工况4可以看出，当施加的载荷相对于结构为完全对称时，放射状加筋壁板很容易出现周期性失稳。而基于斐波那契螺旋线的仿生加筋壁板设计则关于中心不对称，因此其不容易发生周期性失稳。40.此外为了避免圆弧形的边界不适于约束、加载的问题，通过对边缘投影为矩形的抛物面结构(如图8所示)进行校核，得到的结果(如图9所示)与边缘投影为圆形的结构相似，相较于放射状加筋壁板基于斐波那契螺旋线的仿生加筋壁板设计屈曲临界载荷提升42.62％。由于曲面加筋在边缘受载的工况下不会在开孔处屈曲因此无需对曲面不开孔的结构再进行对比验证。41.表1总结统计表[0042][0043][0044]最后需指出的是：以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，均属于本发明的保护之内。