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環肋圓柱殼結構屈曲特性研究

來源:期刊VIP網所屬分類:綜合論文時間:瀏覽:

  環肋圓柱殼通常采用環形加勁肋骨加強,以提高圓柱殼的穩定性。加勁環肋在圓柱殼上的應用有效地加強了彎曲和軸向剛度,避免了初始彈性屈曲的發生。以下將對比分析單向荷載作用下環肋圓柱殼結構屈曲特性與荷載組合作用下的環肋圓柱殼結構的屈曲特性。
  一、單向荷載作用下的環肋圓柱殼屈曲特性
  1、荷載取值
  利用有限元ANSYS分析軟件分析軸向、環向和彎矩這三種單向荷載作用下的環肋圓柱殼穩定性。假設荷載均勻,殼體無初始缺陷。僅受橫向均勻壓力,失穩壓力總是隨失穩跨度的減小而加大,且半失穩波數m恒等于1。
  2、計算結果
  (1) 在自由端施加軸向力荷載作用
  在軸向荷載作用下,變形圖呈現出凹凸交替波形,說明是在肋骨之間殼板喪失了局部的穩定性,即結構發生局部失穩破壞。這種破壞形式是發生在肋骨之間殼板上的。在軸向力作用下結構環肋與殼體位置形成規律的失穩波形,能夠很直觀的確定模型中的危險區域,即殼體處的應力值達到最大,而在環肋上相對較小。
  (2) 在殼體上施加環向力荷載作用
  環向力作用下的屈曲變形模態圖如圖3。屈曲圖呈現出標準的三角函數波形,在自由端的波形最明顯,越靠近固定端,波形逐漸變小。應力最大值產生在環肋間的板殼處,在波形圖的波峰和波谷處取得,具體的值在圖左上角有顯示,并且隨著波形的變弱,應力在固定端附近也逐漸變小。
  (3) 在自由端施加彎矩的作用
  根據彎矩作用下特征值屈曲模態圖可以看到在受壓一側有明顯的屈曲,呈現出對稱的鋸齒狀的波形圖。通過特征值屈曲的等效應力表明最大等效應力發生在波峰處。
  二、復合荷載作用下的環肋圓柱殼受力分析
  對不同的荷載組合作用下的環肋圓柱殼結構穩定性的力學模型進行系列屈曲分析。
  1、復合荷載的取值
  假設荷載均勻,殼體無初始缺陷,分別討論圓柱殼在以下荷載組合情況下的失穩:軸向力和環向力聯合作用;軸向力和彎矩聯合作用下;彎矩和環向力聯合作用;軸向、環向和彎矩共同作用下的失穩。
  2、計算結果
  軸向力和環向力共同作用下環肋圓柱殼的穩定性屈曲主要受環向力控制,軸向力的影響很小。屈曲模態圖呈現出較均勻的失穩波形,受彎矩的影響,在受壓一側形成兩個環向三角函數波形。通過等效應力表明最大應力發生在受壓屈曲一側的肋骨上,應力逐漸向殼板傳遞變小。
  圖7為彎矩和環向力共同作用下的屈曲圖。共同作用下環肋圓柱殼的穩定性屈曲,主要是受彎矩作用的控制,環向力的影響很小。當軸向力與環向力共同作用時,環向力起主要作用,而當環向力與彎矩共同作用時,彎矩起主要的作用。通過等效應力可知應力的最大值也是取在波峰處。
  軸向力、環向力和彎矩共同作用下屈曲模態的波形圖與單向荷載差別不大,呈現出非常對稱有規律的三角函數波形圖。通過等效應力可知應力的最大值取在波峰或波谷處,破壞發生在環肋間的板殼位置,應力逐步向兩邊的環肋傳遞。
  四個組合荷載作用下得到的屈曲分析結果如表所示。
 
作用力 屈曲分析
Z向位移/m
屈曲分析
應力最小值/
屈曲分析
應力最大值/
軸向力和環向力作用 0.431247 14.1 571
軸向力和彎矩作用 0.107533 0.169345 1340
環向力和彎矩作用 0.207542 0.0432 2650
軸向力、環向力和
彎矩作用
0.431308 14.0 571
表 有限元分析結果
  三、結論
  (1) 有限元分析結果可得到:對穩定性敏感的結構,應將特征值屈曲分析作為附加計算要求,以便進行進一步分析。
  (2) 比較這三種單向荷載作用下的應力最小最大值,肋骨起主要的承載作用,兩者的值相差很大,工程設計上應加強肋骨與殼體之間的連結。
  (3) 彎矩作用下的應力最大值與最小值之間的比值最大,在受壓一端產生的應力值遠遠大于在受拉一端的應力值。在工程應用中,要注意彎矩作用端結構的加強,以防止因受力不均導致的材料的破壞與浪費。
  (4) 各種荷載組合屈曲模態圖對比:當軸向力與環向力共同作用時,環向力起主要作用;當環向力與彎矩共同作用時,彎矩起主要的作用;當軸向力與彎矩共同作用時,兩者力的貢獻均衡,呈現的是對稱的屈曲圖。當三個力共同作用時,環向力的破壞力比較大。
  (5) 屈曲分析應力最大值對比表示,有彎矩作用參與的得到的值都比較大,彎矩對結構作用的不均勻。除加強環肋與殼體的連結處的剛度外,為避免實際工程中在彎矩作用下的不均勻受力,有必要在受力作用處做好補強措施。
  參考文獻
  1、考羅特金等.板與圓筒形殼的彎曲及穩定性.北京:高等教育出版社,1958.140~150 .
  2、陳文,任文敏,張維.加肋圓柱殼穩定性計算方法若干間題探討.清華大學學報(自然科學版)1994.34(5)
 

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