受轴向冲击圆柱壳非对称屈曲分析

轴向冲击荷载作用下薄壁圆柱壳屈曲变形研究一直受人们关注,探讨其动态响应的特征和机理,不仅可以丰富冲击屈曲研究内容,而且为提高结构的抗冲击能力提供理论基础。众多实验现象表明,圆柱壳在轴向冲击荷载作用下非对称屈曲时截面为规则几何形状,且不只三角形一种模式,也不是随机现象,而具有一定规律性。文章对环向截面屈曲耗能计算进行理论推导,通过分析对比屈曲耗能与折叠边数、圆柱壳半径的关系,根据最小耗能原理,证实变形规律存在,并分析得到,随半径增加圆柱壳非对称屈曲由三角形模式向多边形模式发展,最终有转变为轴对称变形模式的可能。     

复合加载条件下环肋柱壳的抗冲击屈曲能力分析

由Ｈａｍｉｔｏｎ变分原理导出非轴对称运动方程,本构关系采用增量理论,借助增量数值解法研究了复合载荷（轴向流－固冲击载荷＋径向均匀外压）条件下环肋圆柱壳的弹塑性动力屈曲。分别采用类似Ｂ－Ｒ准则和Ｓｏｕｔｈｗｅｌｌ方法来确定临界屈曲载荷,讨论了环肋骨和径向均匀压对圆柱壳结构抗冲击屈曲能力的影响。     

充液金属薄壁圆柱壳轴向压缩屈曲性能实验研究

本文报导了充液金属薄壁圆壳轴向压缩屈曲性能的探索性实验研究，实验表明，由于壳内封闭液体存在，相比内空的金属薄壁圆柱壳屈曲性能表现出极大差异，如临界载荷有所提高，特别是“下临界载荷”显著提高，屈曲模态呈对称形式，后屈曲过程一直保持在较高载荷水平等。     

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。     

阶梯圆柱壳在轴向冲击载荷作用下的屈曲计算分析

建立并求解了阶梯圆柱壳径向位移控制方程,考虑边界条件及相容条件,得到应力波发生反射后阶梯圆柱壳的动态屈曲分叉条件。通过数值计算,分别给出了不同时间段屈曲临界载荷与应力波波阵面到达阶梯圆柱壳的位置、阶梯圆柱壳厚径比的关系。数值计算结果表明,阶梯圆柱壳发生轴对称屈曲相对非轴对称屈曲更容易;应力波传播经固定端反射,通过分界面后比通过分界面之前固定端部更难发生屈曲,而冲击端部较易发生屈曲。随着厚径比及厚度比的增大临界载荷也随之增大。质量相同的阶梯圆柱壳与等厚度圆柱壳,应力波经固定端反射通过分界面之前阶梯圆柱壳更易发生屈曲,而通过分界面之后阶梯圆柱壳更难发生屈曲。     

轴向冲击载荷下圆锥壳的塑性屈曲

本文用文献[1]中建议的能量原理研究了轴向冲击载荷下小锥角圆锥壳的轴对称塑性屈曲问题,获得了临界冲击速度和线性屈曲模态的表达式,并与文献[1]中圆柱壳的相应结果进行了比较。     

轴压薄壁加筋圆柱壳结构优化设计研究

分别建立了轴向载荷作用下正置正交薄壁加筋圆柱壳结构优化设计的数学模型和有限元分析模型,应用Ansys软件进行优化计算,讨论了外载荷、材料屈服极限对优化设计的影响,以及结构参数对薄壁加筋圆柱壳结构的临界载荷和屈曲模式的影响。基于有限元分析的研究结论,发展了一种薄壁加筋圆柱壳结构优化设计方法,给出设计算例的优化结果,并将两...     

复合材料圆柱壳非轴对称动力屈曲

考虑应力波效应,通过Hamilton原理得到轴向阶跃荷载下复合材料圆柱壳非轴对称动力屈曲控制方程。根据圆柱壳周向连续性设出径向位移的周向函数形式,使用分离变量法得到应力波反射前复合材料圆柱壳动力屈曲临界荷载解析解及屈曲模态,将该结果与里兹法所得结果进行了对比,结果表明两种方法所得临界荷载差值等于转动惯性的影响项。用MATLAB软件编程分析了径厚比、铺层角度等因素对临界荷载的影响。结果表明转动惯性对圆柱壳动力屈曲临界荷载的影响可以忽略,环向模态数越大,临界荷载越大且对应的屈曲模态图越复杂。     

钢质圆柱壳在侧向局部冲击荷载下的变形及失效破坏

基于动力有限元程序LS-DYNA及随动塑性Cowper-Symonds模型,对两端固支钢质薄壁圆柱壳经受半球头弹体侧向局部冲击的非线性动力响应问题进行数值模拟,获得了不同冲击条件下圆柱壳的变形及破坏模态,并研究了弹体在不同周向冲击倾角时壳壁产生穿透性破裂的最小速度（临界破裂速度）。研究表明,圆柱壳破坏模式与弹体冲击倾角θ0、冲击速度V等因素密切相关,将发生局部凹陷、碟形变形及穿透现象,且临界破裂速度随冲击倾角的增大而增大。研究结果可应用于圆柱壳在侧向局部冲击作用下的毁伤预测,从而为圆柱壳结构的安全防护设计提供理论依据。     

一般边界条件下受轴向冲击圆柱壳的动力特性计算分析

在受轴向冲击圆柱壳的非冲击端引入轴向、周向、径向和径向旋转4个方向边界弹簧模拟一般边界条件。根据Love薄壳理论得到圆柱壳变形过程中的应力应变,并采用一种改进的Fourier级数方法表示圆柱壳沿坐标轴方向的位移。将应力应变以及位移代入圆柱壳的能量表达式,采用基于Hamilton方程的一阶变分法对能量表达式进行推导和变换,得到一般边界条件下受轴向冲击圆柱壳的自然频率以及动力屈曲临界载荷的判别式。计算分析了一般边界条件对受轴向冲击圆柱壳的自然频率和屈曲临界载荷的影响,以及不同边界条件圆柱壳屈曲模态的类型特点。结果表明：一般边界条件下自然频率随着冲击载荷增大而降低;随着轴向波数的增加圆柱壳自然频率及屈曲临界载荷增大,随着周向波数的增加屈曲临界载荷也增大;轴向、周向、径向和径向旋转各个方向边界刚度对圆柱壳自然频率和屈曲临界载荷的影响都是刚度系数越小,自然频率越低而临界载荷越大;圆柱壳受轴向冲击,边界条件的改变会影响屈曲模态。     

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。     

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。     

Inertia effects in axisymmetrically deformed cylindrical shells under axial impact

The axisymmetric buckling of elastic–plastic cylindrical shells subjected to axial impact are studied using a finite element analysis. This study reveals that shells, subjected to axial impact, are both velocity and mass sensitive, so that larger energies can be absorbed by a shell for high-velocity impacts when decreasing the striking mass. It is shown that the inertia characteristics of the shell, together with the material properties, determine particular patterns of the axial stress wave propagation, thus, causing either dynamic plastic or dynamic progressive buckling to develop during the initial phase of the shell response. Domains of the load parameters, where the different buckling phenomena develop, are obtained for two particular shells. Strain rate effects are also considered when discussing the energy absorbing properties of the shells.     

Buckling of Cracked Laminated Composite Cylindrical Shells Subjected to Combined Loading

A series of finite element analysis on the cracked composite cylindrical shells under combined loading is carried out to study the effect of loading condition, crack size and orientation on the buckling behavior of laminated composite cylindrical shells. The interaction buckling curves of cracked laminated composite cylinders subject to different combinations of axial compression, bending, internal pressure and external pressure are obtained, using the finite element method. Results show that the internal pressure increases the critical buckling load of the CFRP cylindrical shells and bending and external pressure decrease it. Numerical analysis show that axial crack has the most detrimental effect on the buckling load of a cylindrical shell and results show that for lower values of the axial compressive load and higher values of the external pressure, the buckling is usually in the global mode and for higher values of axial compressive load and lower levels of external pressure the buckling mode is mostly in the local mode.     

轴压圆柱钢薄壳稳定设计综述

轴压圆柱薄壳广泛应用于土木工程中的各类钢壳结构,包括筒仓、塔桅、烟囱及容器等。轴压圆柱壳的屈曲问题一直是壳体稳定研究中最为活跃的课题之一。本文全面总结轴压圆柱壳稳定设计方面的研究成果及设计准则。首先简要回顾轴压圆柱壳的弹性经典解及初始缺陷敏感性的经典研究,接着对实际结构中的初始缺陷与制作过程的关系以及焊接残余应力对屈曲强度影响的近期研究进展进行了总结。然后,在简单介绍欧洲钢结构协会规程对轴压圆柱壳稳定设计有关规定的基础上,详细说明了新的欧洲钢壳设计规范所给出的设计准则及相应的研究背景。     

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。     

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.     

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.     

An experimental study on the dynamic axial plastic buckling of cylindrical shells

This paper deals with an experimental study on the dynamic plastic post-buckling behaviour of a stationary AMΓ aluminium alloy cylindrical shell under axial impact. According to current theory, it is believed that within a certain velocity range, the shell will buckle in a uniform axisymmetrical sinusoidal mode. However, we found that when the impact velocity is less than a certain critical value V_c1, the shell will exhibit only uniform plastic deformation in both the axial and radial directions and does not produce the sinusoidal waves. On the other hand, when the impact velocity exceeds another critical value V_c2, the shell will change from the axisymmetric mode into a nonuniform type of large deformation, the number of waves decreases slightly and the shell begins to lose its load-carrying capacity. Experimental results on cylinders with three different thicknesses are presented and discussed. An approximate theoretical formula for estimating V_c2 based on strain rate reversal is also given.