外压作用下椭圆截面柱壳的弹性屈曲

基于能量法推导了外压作用下椭圆截面柱壳弹性屈曲临界荷载的理论解,推导中考虑了椭圆截面连续变化的曲率,引入带有衰减系数的位移函数以反映外压作用下椭圆柱壳的变形特点,并利用里兹法求解外压椭圆柱壳的能量方程。由椭圆柱壳理论解退化求得的圆柱壳外压屈曲荷载与已有文献的经典解吻合良好,与有限元分析结果的比较进一步验证了该文理论解的准确性。基于理论解的参数分析表明:在外压作用下,椭圆柱壳具备比圆柱壳更优越的力学性能;椭圆柱壳的外压屈曲荷载随椭圆截面比的增大而增大,随壳体名义径厚比的减小而增大;椭圆柱壳的外压屈曲荷载随壳体长度的增大而降低,但当名义长径比大于1左右后,屈曲荷载基本保持不变。     

轴向冲击下薄壁圆柱壳的屈曲行为的实验研究

由于薄壁圆柱壳比厚壁圆柱壳的不均匀性更大，薄壁圆柱壳的轴向动力屈曲比厚壁复杂得多。了解轴向冲击下薄壁圆柱壳的屈曲行为，有助于进行吸能构件设计。介绍了采用落锤实验进行圆柱壳的动力屈曲行为研究中，超薄壁圆柱壳的一些特殊屈曲行为，在实验中观察到随着径厚比的增加，折屈边数有相应增加的趋势，存在过渡区。经吸能特性分析，随着圆柱壳径厚比的增加，平均压垮载荷和一个基本变形单元能量吸收量增加，有效压缩距离和一个基本变形单元的初始长度增加，但有效压缩距离与基本变形单元长度之比保持不变；在壁厚相同的条件下，能量吸收量与圆柱壳半径成正比。     

确定轴向冲击下薄壁圆柱壳第二临界速度的新方法

研究薄壁圆柱壳的动态屈曲模式，有助于构造具有高吸能率的抗冲击结构。根据轴向冲击下的薄壁圆柱壳存在使其屈曲模式由轴对称转换为非轴对称的第二临界速度，且当冲击速度大于第二临界速度时薄壁圆柱壳的屈曲模式先呈现轴对称形式，然后随着冲击响应时间逐渐由轴对称形式转化为非轴对称形式这一理论，基于有限元仿真，比较撞击系统动能的时间历程和屈曲变形的时间历程，提出了用以确定第二临界速度的能量迭代法。应用此方法设计薄壁圆柱壳的动力屈曲结构可有效地减少试验次数，降低实验成本。该方法的可行性和正确性利用落锤实验得到了验证。     

圆柱壳冲击动力屈曲的研究

本文报导了圆柱壳在轴向冲南呼扭转冲击作用下动力屈曲的一些实验和分析结果，同时对充满液体的圆柱腔在轴向冲击作用下的屈曲过程和机理进行了探索性的研究，得到了些与内空的圆柱壳相比明显不同的特征。     

基于弹性基础梁理论的复合材料薄壁圆柱壳屈曲承载力模型

提出一种复合材料薄壁圆柱壳轴压局部屈曲承载力计算模型。在梁弯曲变形平截面假定和小变形假定的基础上,提出复合材料层合梁抗弯刚度的计算方法;根据轴压下圆柱壳的几何对称性及受力对称性,将圆柱壳局部屈曲问题转化为轴向和环向壳带的弯曲变形问题。依据薄壳稳定理论,建立弹性基础上纵向壳带局部屈曲模型,得到了复合材料圆柱壳屈曲承载力解析公式。理论计算公式与经验工程计算公式相比,具有形式上的相似性,且得到的计算系数可直接求出,而非经验范围选取。对三种铺层的复合材料薄壁圆柱壳进行了轴压试验,结合文献试验数据对比,试验结果与理论预测值基本一致,满足工程精度要求,验证了模型的正确性。     

轴向冲击载荷下有限长圆柱壳的动态屈曲研究

本文总结了许多学者的经验和理论,应用屈曲理论,将弹性屈曲和动力屈曲作为重点。主要讨论了弹性结构一端受轴向冲击载荷作用下的动态屈曲问题,应用应力波传播理论讨论无限长圆柱壳的动态屈曲,以及在有限长情况下应用应力波传播和反射理论研究有限长圆柱壳的屈曲问题。     

轴向载荷作用下壳壁厚度对动态屈曲影响的研究

圆柱壳是工程中最常用的结构元件之,对圆柱壳在各种基本载荷以及在不同类型载荷的联合作用下的屈曲问题研究一直是应用力学界和结构工程界十分关注的课题,与静态屈曲相比,圆柱壳的动态屈曲问题的研究还不尽完善。本文通过壳壁厚度对圆柱壳在轴向冲击下的动态屈曲问题进行了详细的研究。     

充液及内空圆柱壳在爆炸荷载下动力屈曲特性研究

采用实验与数值模拟相结合方法,对充液及内空圆柱壳在爆炸载荷下动力屈曲响应特性进行对比研究。将壁厚δ=2.0 mm、外径Φ=100 mm钢圆柱壳（内空及充水）置于75gTNT药柱、200gTNT药柱产生的爆炸场中进行冲击实验,获得不同工况下圆柱壳变形破坏模式。利用动力有限元程序LS-DYNA及Lagrangian-Eulerian流固耦合方法进行数值计算,分析壳壁屈曲变形过程及壳壁关键点速度、水介质内压力等动态参数。计算结果与实验结果一致性较好。研究表明,由于内充水介质的近似不可压缩性,承受冲击荷载时内压增大,因而参与对外界爆炸冲击载荷抗力作用,圆柱壳抗爆能力显著提高。     

球面扁壳在径向脉冲荷载作用下的弹塑性动力响应研究

球面扁壳在径向朝外脉冲荷载作用下,可能发生反直观行为;在径向朝内荷载作用下,则可能发生动力屈曲.通过大量的数值分析发现,两种动力响应除各自拥有自己的响应规律外,还拥有许多共同的特点.研究结果表明:在冲击荷载作用下,当荷载为径向朝内并达到一定值时该结构发生动力屈曲,当荷载为径向朝外并达到一定值域时,该结构发生反直观行为;反直观行为和动力屈曲的位移时程曲线均具有突变现象;反直观行为的最终变形模态和荷载方向相反,动力屈曲的最终变形模态与荷载方向相同;扁壳在冲击荷载作用下,发生反直观行为和动力屈曲时,对荷载的微小扰动都极其敏感;发生反直观行为和动力屈曲时的主要内力是薄膜力;反直观行为发生机理与动力屈曲机理基本类同.     

侧向爆炸荷载下金属圆柱壳动力屈曲模态的实验研究

对金属圆柱壳在其中心部位经受75g柱状TNT炸药侧向爆炸冲击时的动力屈曲进行了实验研究,系统分析了3种壁厚的金属圆柱壳在不同爆炸距离下受侧向爆炸冲击的变形历程、最终变形模式和能量分配方式。得出了金属圆柱壳受侧向爆炸载荷时的4种典型屈曲模式及其相应的屈曲参数指标值,为金属柱壳结构爆炸破坏分级及结构抗爆设计提供了实验依据。     

复合载荷作用变刚度复合材料回转壳屈曲优化

通过曲线纤维轨迹设计,变刚度复合材料回转壳将拥有比常刚度（直线纤维）回转壳更好的抗屈曲稳定性,为此,研究了复合载荷作用下曲线纤维铺层形式和几何参数对变刚度复合材料回转壳屈曲性能的影响规律。首先根据回转壳横截面圆弧变化改进曲线纤维角度线性描述方法,建立了变刚度复合材料回转壳的参数化有限元模型;其次,结合序列二次响应面方法和回转壳屈曲优化模型,搭建了复合材料回转壳曲线纤维轨迹优化的设计流程;最后,以准各向同性铺层复合材料回转壳为比较基准,对弯扭载荷作用变刚度圆柱壳和轴压、弯矩和扭矩分别作用变刚度椭圆柱壳在不同铺层方式、不同几何参数下的屈曲性能进行了优化比较。结果表明:弯扭载荷作用下,变刚度圆柱壳的屈曲性能随弯矩载荷占比增加而提高,且均好于准各向同性圆柱壳,但扭矩载荷占优时,优化常刚度圆柱壳的屈曲性能更具有优势;不同载荷作用下,具有较小截面方向比的变刚度椭圆柱壳屈曲性能要明显好于对应的准各向同性椭圆柱壳,且横截面越接近圆形,曲线纤维对椭圆柱壳屈曲性能的改善越弱。      

基于能量法研究刚性质量块轴向撞击圆柱壳的屈曲

基于能量法,考虑应力波效应,研究了刚性质量块撞击圆柱壳的屈曲问题。建立拉格朗日函数,将其和计算获得的符合边界条件的准试函数代入第二类拉格朗日方程,得到二阶线性偏微分方程,分析方程解的特性,得到刚性质量块撞击圆柱壳屈曲临界速度的解析表达式。算例分析讨论了临界长度、冲击质量、轴向模态数、环向模态数、径厚比对屈曲的影响。结果表明:应力波效应、初始冲击动能、径厚比对圆柱壳的动力屈曲有明显影响;高速冲击易激发屈曲的高阶模态、也容易在径厚比较小时激发圆柱壳的屈曲。     

模态缺陷条件下复合材料柱形壳屈曲特性

为了开展多模态缺陷条件下复合材料柱形壳的屈曲特性研究,进行了理想柱形壳在轴压工况下的线性屈曲分析,得出前50阶屈曲失稳模式,即模态缺陷;基于弧长法研究不同模态缺陷条件下复合材料柱形壳的非线性屈曲特性;将有限元分析结果、NASA SP-8007规范计算结果与Bisagni试验结果作对比分析。结果表明:对于轴压柱形壳屈曲问题,第1阶模态缺陷不是最差缺陷,在第1阶模态缺陷条件下求出的非线性屈曲载荷比试验值高出较多;高阶模态缺陷条件下的复合材料柱形壳非线性屈曲计算结果与试验结果最为吻合,两者相差较少;屈曲载荷下降受缺陷形状、幅值双重影响,复合材料柱形壳屈曲计算需考虑多模态问题;NASA求出的屈曲载荷非常保守,低于试验值较多,用NASA方法进行复合材料柱形壳的设计,往往会导致结构笨重、材料浪费、性能降低。     

复合材料圆柱壳的轴压屈曲失效试验

为了研究高径比大于1的复合材料圆柱壳的轴压屈曲性能及其失效模式,对2组单向纤维圆柱壳和3组外侧环裹环向纤维圆柱壳进行了轴压试验,观察了试件的受力过程和破坏形态,获得了荷载-位移曲线和荷载-应变曲线,利用有限元模型分析了单向纤维圆柱壳两种屈曲形式的破坏机制,对比分析了两种铺层试件的轴压性能。结果表明:单向纤维复合材料圆柱壳出现先纵向劈裂后板壳屈曲和先柱壳屈曲后纵向劈裂的两种破坏模式;外侧环向纤维可改善圆柱壳的轴压性能,屈曲发展有一定的阶段性并表现出延性特征,破坏形式和承载力均较为稳定。     

开口及边界条件对复合材料三分之一柱面壳压缩屈曲性能的影响

研究了完整、开口周边加强及开口加口盖3种型式的复合材料三分之一柱面壳的压缩屈曲性能,考查了3种典型复合材料柱面壳的轴压屈曲强度,分析了开口及口盖对柱面壳压缩稳定性的影响.结果表明:开口大大降低了柱面壳的轴压屈曲强度;口盖可以部分恢复其强度,但很难达到开口之前的水平.进行了开口加口盖经编织物铺层三分之一柱面壳轴向压缩试验,其轴压屈曲强度比用平面织物制造的相同结构的降低很多.为了探究其轴压屈曲强度比同类结构偏低很多的原因,进行了非均匀加载复合材料柱面壳模型有限元分析.结果表明:柱面壳边界不均匀加载会降低其承载能力,根据柱面壳刚度分布制定边界载荷可以提高其承载能力.     

Benchmark three-dimensional elasticity solutions for the buckling of thick orthotropic cylindrical shells

Benchmark solutions to the problem of buckling of orthotropic cylindrical shells, which are based on the three-dimensional theory of elasticity, are presented in this review article. It is assumed that the shell is under external pressure or axial compression or a combination of these loadings. These solutions provide a means of accurately assessing the limitations of the various shell theories in predicting critical loads. A comparison with some classical shell theories shows that the classical shell theories may produce, in general, highly non-conservative results on the critical load of composite shells with thick construction. One noteworthy exception: the Timoshenko shell buckling equations produce conservative results under pure axial compression.     

Parameterized Finite Element Modeling and Buckling Analysis of Six Typical Composite Grid Cylindrical Shells

Six typical composite grid cylindrical shells are constructed by superimposing three basic types of ribs. Then buckling behavior and structural efficiency of these shells are analyzed under axial compression, pure bending, torsion and transverse bending by finite element (FE) models. The FE models are created by a parametrical FE modeling approach that defines FE models with original natural twisted geometry and orients cross-sections of beam elements exactly. And the approach is parameterized and coded by Patran Command Language (PCL). The demonstrations of FE modeling indicate the program enables efficient generation of FE models and facilitates parametric studies and design of grid shells. Using the program, the effects of helical angles on the buckling behavior of six typical grid cylindrical shells are determined. The results of these studies indicate that the triangle grid and rotated triangle grid cylindrical shell are more efficient than others under axial compression and pure bending, whereas under torsion and transverse bending, the hexagon grid cylindrical shell is most efficient. Additionally, buckling mode shapes are compared and provide an understanding of composite grid cylindrical shells that is useful in preliminary design of such structures.