含凸、凹型加肋锥-环-柱结合壳的连接结构试验研究

制作了一个含凸、凹型加肋锥-环-柱结合壳的连接结构焊接钢模,进行了静水外压试验,研究连接结构的应力分布.环壳块的嵌入有效地削减了锥-柱结合部的应力峰值.模型在大圆柱壳破坏,表明连接结构的强度高于所连接的基本结构(环肋圆柱壳)的强度.实验证明含凸、凹型加肋锥-环-柱结合壳是潜艇耐压艇体相邻的大、小圆柱壳间一种优越的连接结...     

凹型加肋锥-环-柱结合壳局部加强方式的研究

为了给潜艇加肋锥-环-柱结合壳提供设计依据,对组合壳中凹环壳块的加强方式进行了探讨.通过分析凹型加肋锥-环-柱结合壳中环壳块的应力,指出凹环壳块需局部加强的必要性.提出凹环壳块中部增设肋骨和凹环壳块适当加厚两种加强方式,分析它们的应力分布特点.通过大量的计算,比较两种加强方式的效率,提出"应力放大系数"作为衡量凹环壳块加强方式效率的指标.制作了2种加强方式的凹型加肋锥-环-柱结合壳精车模型,进行了模型试验.计算分析和模型试验结果表明,对凹环壳块适当加厚是提高凹型加肋锥-环-柱结合壳效率的较优越的加强方式.     

Research on Strengthening Method of Concave Cone-toroid-cylinder Combined Shell with Initial Imperfection

含局部初始缺陷的凹锥-环-柱结合壳加强方法研究

张二;吴梵;毛开仁;刘春正

（海军工程大学舰船工程系 湖北武汉 430033）

创新点说明：本文的创新点主要有以下几个方面,1）本文通过ANSYS,建立了含初始几何缺陷的有限元模型;2）通过应力敏感度的分析,环壳两端肋骨应力对初始几何缺陷敏感度大于环壳中面周向应力。

目的：本文针对凹锥-环-柱结合壳这一新型连接结构,分析初始几何缺陷对其应力水平的影响,研究加强方法。

方法：采用有限元分析方法,通过建立含不同初始几何缺陷的有限元计算模型,选取出典型的初始几何缺陷形态。研究不同形态的初始几何缺陷对凹锥-环-柱结合壳应力的影响规律,进而确定含初始几何缺陷的凹锥-环-柱结合壳的加强方案。

结果：本文主要引入了四种初始几何缺陷形态,其中（1）对于四个不同形态的初始几何缺陷,当初始缺陷幅值倍数△=0.5时,环壳中面周向应力依然小于许用应力0.85σs,而肋骨应力均已超过许用应力0.6σs,这表明环壳两端肋骨应力较环壳中面周向应力对初始缺陷更加敏感。（2）当四个工况的初始几何缺陷幅值均达到允许值上限时,环壳中面周向应力以及肋骨应力均超过许用应力,呈危险状态。其中,当初始缺陷形态为工况一时,环壳中面周向应力达到最大,超出许用应力2.2%;当初始缺陷形态为工况二时,#9肋骨应力达到最大,超出许用应力11.9%。（3）通过加强#8、#9肋骨,可有效降低肋骨应力,使其满足许用应力的要求;同时对环壳中面周向应力也起到了一定的改善作用。（4）通过增加环壳厚度,可以大幅降低环壳中面周向应力,这与文献的结论一致;但环壳厚度的增加不能有效改善肋骨应力,通过方案二的加强,肋骨应力依然不满足许用应力的要求。

结论：（1）环壳段壳板中面周向应力及环壳段两端肋骨应力较大,成为凹锥-环-柱结合壳设计时的控制应力,需重点关注。（2）环壳两端肋骨应力对初始几何缺陷敏感度大于环壳中面周向应力。环壳段两端肋骨在设计时适当加强,以提高结构的安全性。

摘 要：针对凹锥-环-柱结合壳这一新型连接结构,分析了初始几何缺陷对其应力的影响。首先研究了凹锥-环-柱结合壳因焊接加工而产生的初始几何缺陷的位置及其形态。然后比较凹锥-环-柱结合壳各典型部位应力值,提取出数值相对较大的环壳中面周向应力及#9肋骨应力作为控制应力。通过改变肋骨初挠度及壳板凹凸度的形态,分析了初始几何缺陷对控制应力的影响。最后研究了含初始缺陷的凹锥-环-柱结合壳的加强方法。结论如下：（1）#9肋骨应力对初始几何缺陷的敏感度大于环壳中面周向应力;（2）环壳两端肋骨适当加强,可有效降低肋骨应力,同时也有利于改善环壳中面周向应力。

关键词：凹锥-环-柱结合壳;初始几何缺陷;应力;加强方案

     

环肋壳体应力的有限元分析

分析环肋壳体这种复杂结构的应力分布规律,现行的解析法往往是无能为力的,但有限元方法却大有用武之地.本文首先从环肋园柱壳入手,把肋骨与壳板作为一个整体承受外压力,在壳中的应力分布,除肋骨应力外,与理论分析(解析法)的结果很接近.对于肋骨应力而言,由于在解析法中把肋骨作为壳体的弹性支座,两种不同的方法给出不同的结果.因此在用解析法的公式计算内肋骨应力时,应该作适当修正.在研究环肋壳体的超差加强时,应该特别注意这一点. 本文接着指出锥-锥-柱结合壳的有限元应力分析程序能够作为通用程序耒分析各种环肋壳体的应力分布规律,并且给出足够的精确度. 最后,着重探讨了壳板与仓壁连接处,以及锥-柱结合壳凹结合处的应力分布规律得到了一些相应的结论.     

肋环斜杆型球面网壳弹塑性稳定特性

为掌握肋环斜杆型球面网壳的弹塑性稳定特性,利用ANSYS软件有计划地对430余例实际尺寸的肋环斜杆型单层球面网壳进行了双重非线性全过程分析,求得结构的极限承载力,系统地考察了初始缺陷、荷载不对称分布、支承条件以及材料非线性等因素对网壳稳定性能的影响,并与弹性分析结果进行了对比分析.通过大规模参数分析研究,较全面了解肋环斜杆型单层球面网壳弹塑性稳定的规律性,统计了肋环斜杆型单层球面网壳的材料非线性折减系数,为此类网壳结构的工程实践提供了理论依据和设计参考.     

环向加肋具有初始几何缺陷的旋转壳非线性数值分析

研究了具有初始几何缺陷的环向加肋旋转壳的小应变，大转动，大位移问题。把环肋作为曲梁来处理，推导了环肋四种变形组合一的几何非线性应变阵及肋截惯性主轴为任意方向时的内力方程，然后对壳肋组合注解控制方程。     

环向加肋具有初始几何缺陷的旋转壳非线性数值分析 

研究了具有初始几何缺陷的环向加肋旋转壳的小应变、大转动、大位移问题。把环肋作为曲梁来处理，报导出了环肋四种变形组合下的几何非线性应变阵及肋截面惯性主轴为任意方向时的内力方程，然后对壳肋组合结构建立求解控制方程。     

扣件式模板支架初始缺陷分类及缺陷敏感度分析

针对扣件式钢管模板支撑体系坍塌事故频发的现状,分析初始缺陷对架体承载能力的影响及计算方法。按照初始缺陷的性质,将扣件式钢管模板支架常见缺陷分为力学缺陷、材料缺陷、搭设参数偏差和初始几何缺陷共4大类。根据某真型实验架体建立有限元模型,分别计算架体承载能力对4类初始缺陷的敏感程度。针对较为敏感的初始缺陷,提出通过在现行规范承载力验算公式中加入修正参数来考虑材料初始缺陷的方法,以提高扣件式钢管模板支架极限承载能力计算的精度。     

轴压下大型薄壁圆柱壳的稳定性研究

承受轴向和周边径向压力的大型薄壁钢柱壳结构的稳定性分析是一个十分复杂的问题.根据理想壳体结构的屈曲平衡方程得出的临界应力,结合德国和我国的设计规范,通过有限单元法研究了初始缺陷、环向加劲肋间距、大开孔对薄壁圆柱壳稳定性的影响.结果表明:初始缺陷可使薄壁柱壳的极限屈曲应力降低至理想壳体临界应力的1/4以下;环向加劲肋间距的减小能够使得壳体极限屈曲应力显著增加,进而大大地提高了壳体的轴向承载力;大开孔的存在严重削弱了壳体的整体稳定性.上述结论对于薄壁柱壳的稳定性分析具有一定的理论意义和实用价值.     

C形冷弯型钢切割短柱轴压承载力有限元分析

把辊轧成型的C形冷弯薄壁型钢构件切割成若干短柱，将在短柱中产生不同程度的歪曲变形，从而引起附加的初始几何缺陷。在考虑材料非线性、几何非线性及由切割产生的初始几何缺陷的基础上，采用有限元方法分析了2种C型截面切割短柱的极限承载能力及破坏模态，并与轴压试验结果进行了比较。结果表明，切割短柱在轴压力作用下的破坏模态为两翼缘内收的歪曲破坏，由切割引起的初始几何缺陷使短柱轴压极限承载力降低了7％～11％。     

夹芯复合材料耐压壳舱段仿真计算及临界环肋高度确定方法研究

本文基于Abaqus有限元仿真软件,针对夹芯复合材料耐压壳舱段有效支撑的临界环肋高度问题进行了计算分析.论文首先结合相关试验结果,对仿真计算方法进行了验证.然后建立了共3个系列15个有限元模型,对在不同腹板铺层方式、不同尺寸的T型截面舱段环肋结构支撑下的夹芯复合材料耐压壳长舱段进行了临界屈曲载荷的计算,并得到以下结论.通过设置环肋可以有效地增加夹芯复合材料耐压壳长舱段的稳定性.当环肋的支撑刚度增加到一定值时,长舱段的屈曲模态会从整体屈曲转变为被环肋边界限制在舱段范围内的的多段的单分段屈曲模态,该环肋高度称为环肋有效支撑的临界环肋高度.环肋有效支撑的临界高度可以通过屈曲载荷随腹板高度的增长趋势图中两段直线的交点位置来确定.当环肋高度大于临界环肋高度时,结构的分段屈曲载荷与环肋的属性关系不大,主要与夹芯圆柱壳自身的尺寸与材料属性有关.经计算,本文所分析的夹芯复合材料耐压壳结构其分段自身屈曲载荷可达7.0MPa.     

钢-混凝土组合肋壳双重非线性稳定

对新型混凝土薄壳——球面钢-混凝土组合肋壳进行双重非线性稳定研究,考虑几何和材料双重非线性的影响,通过结构受力全过程分析,确定其极限承载力,并系统考察了分割频数、矢跨比和初始缺陷等因素对结构弹塑性稳定性能的影响,详细讨论极限荷载变化以及失稳区域的分布情况.通过大规模参数分析研究,较全面揭示了新型壳体结构的弹塑性稳定性能的规律性,得到各种情况下弹塑性极限承载力的变化趋势和结构的失稳形式,确定考虑初始缺陷影响后,极限承载力下降程度.     

WRC-T钢管混凝土短柱轴心受压力学性能

目的 了解WRC-T钢管混凝土柱的破坏形态、受力和变形性能,考察约束效应系数、长细比、肢长腹比等参数的影响,探讨极限承载力计算方法 .方法 设计制作20个WRC-T钢管混凝土短柱试件,通过轴心受压试验,实测试件的荷载-变形曲线和极限承载力,分析各参数对短柱轴心受压力学性能的影响,参考国内外相关规范条文,通过试验数据回归分析,提出WRC-T钢管混凝土短柱轴心抗压极限承载力的计算模型.结果 试件呈剪切型或局部凸曲型破坏,提高约束效应系数可以明显提高试件的极限承载力和后期承载能力.结论 WRC-T钢管混凝土短柱的两个组成部分能很好地协同工作,力学性能较好;极限承载力公式计算结果 与试验值符合较好;计算公式可供工程设计参考.     

不同纵横均匀外压作用下环肋圆柱壳稳定性分析

环肋圆柱壳结构因其具有的诸多优点,而被广泛应用于工程实际,但随着钢材屈服极限的不断提高,其稳定性问题越来越成为保证结构强度的一个重要指标,因此有必要对其结构的稳定性进行详细的分析.在对受各向均匀外压和单向均匀外压作用下环肋圆柱壳稳定特性的了解、认识和重新分析的基础上,研究了不同纵横均匀外压作用下环肋圆柱壳的稳定特性,得出了不同纵横均匀外压作用下环肋圆柱壳的稳定特性的规律,并在理论分析的基础上绘制了不同纵横均匀外压作用下的环肋圆柱壳随几何参数变化的稳定性曲线,由稳定性曲线给出了能使材料充分得到利用的环肋圆柱壳几何参数的范围.所得到的一些结论不仅能进一步完善环肋圆柱壳的稳定性理论,而且对实际工程设计及计算具有指导意义.     

考虑椭圆度缺陷的盾构管片结构极限承载性能研究

为了探究初始椭圆度缺陷对于管片结构在外部围压下极限承载性能的影响,提出考虑初始椭圆度缺陷的管片非线性稳定极限承载性能计算方法.建立数值分析模型并基于文献实验数据验证,对椭圆度缺陷的几何计算理论及其取值进行分析;分别引入横长轴和斜长轴初始椭圆度缺陷,就不同椭圆度缺陷对管片非线性稳定极限承载力的影响进行参数分析;提出含椭圆度缺陷管片极限稳定承载力的取值建议.结果表明,初始椭圆度缺陷对管片非线性极限承载力均为不利作用,且缺陷越大,不利越明显.当不同椭圆度缺陷时,荷载系数随位移的变化均为迅速增大、平缓增大和趋于收敛.当不同横长轴椭圆度缺陷时,极限荷载系数的变化趋势为：以土体侧压力系数0.6为界,经历缓慢增大、迅速增大;以土体抗力系数5.0 MN/m3为界,经历迅速增大、缓慢增大;以接头抗弯刚度50.0 MN·m/rad为界,经历迅速增大、趋于平稳.对于不同椭圆度缺陷,随着倾斜角的增大,极限荷载系数逐渐增大,对应误差百分比绝对值逐渐减小,横长轴椭圆度缺陷为最不利工况.在实际工程中含椭圆度缺陷管片的非线性极限承载力相对无缺陷时的折减系数可按0.85～0.90考虑,而按整体式管片近似求解实际衬砌式管...     

夹芯复合材料耐压壳工艺缺陷对承载能力的影响

为了确定工艺缺陷对夹芯复合材料耐压壳承载能力的影响程度,本文基于夹芯复合材料耐压壳静水压力试验的试验结果和数值计算结果,研究了工艺缺陷对夹芯耐压壳承载能力的影响规律。为了确定工艺缺陷对夹心耐压壳承载能力的影响大小,并根据结果验证以使用的制造工艺方法的可行性进行了研究。经分析发现在耐压壳成型过程中会出现三种类型的工艺缺陷,研究了考虑工艺缺陷对结构极限承载能力的影响以及仿真实现方法,对含缺陷夹芯复合材料耐压壳的极限承载能力进行了数值计算和变化规律的研究。得出如下结论,在工艺缺陷对耐压壳体的临界屈曲载荷有一定影响,但缺陷敏感度不高。所以本文中所叙述的夹心耐压壳结构制造工艺可行的。     

LNG储罐穹顶带钢板网壳施工全过程稳定性分析

为分析带钢板网壳在穹顶混凝土施工全过程期间的稳定性能与承载能力,利用ANSYS有限元分析软件建立精细化有限元模型,对其进行非线性荷载-位移全过程分析,利用能量误差方法评估并确定合理的单元网格划分尺寸,通过获取屈曲临界点处的屈曲模态形式,确定带钢板网壳的合理初始几何缺陷形式;探讨了蒙皮钢板对网壳稳定承载力的影响,以及钢板厚度、网壳杆件截面尺寸、矢跨比、初始几何缺陷等参数对带钢板网壳稳定性能的影响规律.分析结果表明:钢板蒙皮显著提高了网壳承载力;1/8~1/5矢跨比范围内,随矢跨比的增加,结构极限承载力最大增幅可达87.3%;带钢板网壳对初始几何缺陷具有高度敏感性.     

地震作用下肋环斜杆型单层球面网壳结构的动力稳定性

基于全过程非线性动力反应时程分析方法,采用实用的动力稳定性判定准则,以肋环斜杆型单层球面网壳结构为研究对象,系统地分析其在地震作用下的动力稳定性能.分别考虑了地震输入维数(水平、竖向、三向)、材料非线性、结构阻尼、初始几何缺陷、杆件截面面积、矢跨比、屋面荷载、支座条件和不同地震波(EL-Centro波、Taft波、天津波)等参数的影响,分析表明,考虑多维地震输入对单层球面网壳动力稳定性分析非常必要,不同地震波对单层球面网壳结构的动力稳定性影响程度不同,将其计算结果与K型网壳结论对比,得出了一些有意义的结论,可为网壳工程设计提供参考.     

钢管塔架K型加肋节点的承载力分析

通过试验对1／4加肋K型钢管插板连接节点的极限承载力进行了研究,同时借助有限元分析了主管壁厚,环板宽度和厚度以及不同加肋方式对节点极限承载力的影响。在此基础上根据试验和有限元结果以及节点的破坏模式提出了适用于估算此类节点极限承载力的极限分析模型和建议公式。结果表明：加肋K型钢管插板连接节点的承载力受主管壁厚和环板宽度和厚度的影响较大,且分主管控制和环板控制2种情况来讨论。采用的四铰破坏机理和五铰破坏机理极限分析模型能较好的反映此类节点的受力性能。     

有初始几何缺陷混凝土系杆拱桥极限承载力分析

分别采用线弹性分析方法、几何非线性分析方法、材料非线性分析方法及双重非线性(几何非线性和材料非线性)四种不同分析方法对某系杆拱桥进行极限承载力分析.通过比较四种方法的分析结果,研究非线性对于分析结果的影响.采用考虑双重非线性的分析方法对存在初始缺陷的系杆拱桥进行极限承载力分析.结果表明:此类拱桥应以双重非线性分析方法进行极限承载力分析计算;面内初始几何缺陷对极限承载力的影响要比面外初始几何缺陷的影响大;面外初始几何缺陷对于系杆拱桥极限承载力不会产生较大影响;我国规范所给拱肋施工允许偏差可适当放宽,同时对于轴线横向偏位的允许范围应该大于竖向偏位的允许范围.