基于傅里叶级数模型的含接管圆柱壳外压稳定性研究

发布时间：2020-04-20 08:59

【摘要】：对于受外压作用的圆柱壳,失稳失效是其主要的失效形式之一。而圆柱壳的临界屈曲压力与其几何尺寸、几何缺陷以及材料性能均有紧密的联系。在圆柱壳本身的这些影响因素确定的情况下,开孔接管结构作为容器设备常见的结构形式,破坏了圆柱壳结构的连续性,往往会致使圆柱壳的临界屈曲压力发生变化。目前,对于含接管圆柱壳的外压稳定性研究相对较少,且往往未考虑结构的真实几何缺陷对其稳定性的影响。因此,开孔接管结构对圆柱壳临界屈曲压力的具体影响还需要进一步的研究。本文从这一角度出发,采用实验与数值模拟相结合的方法,对傅里叶级数模型在含接管圆柱壳数值模拟中应用的有效性进行了验证;并基于傅里叶级数模型,将开孔接管结构对含接管圆柱壳稳定性的影响进行规律性探究。本文通过搭建外压实验台进行了含接管圆柱壳的外压实验研究。通过实验研究分析开孔接管结构对于圆柱壳失稳形貌具体影响。由实验后的试样失稳形貌及应变数据得出:开孔接管对于圆柱壳稳定性的影响是局部的。但在开孔较大时,一定程度上会影响开孔位置的失稳,导致该位置无法形成波形。同时,本文对外压实验试样进行3D扫描,根据扫描缺陷数据获取其扫描模型及傅里叶级数模型,二者的数值模拟结果与实验数据均有较好的吻合,验证了数值模拟方法以及傅里叶级数模型的有效性。本文采用ABAQUS有限元计算软件,结合Python脚本语言建立含接管圆柱壳的傅里叶级数模型并进行数值模拟分析,采用正交试验的方法研究讨论不同几何尺寸和几何缺陷的圆柱壳中,开孔接管结构对圆柱壳稳定性的影响,并通过接管厚壁补强研究目前的半面积补强法在圆柱壳外压稳定性上的准确性。研究结果发现:在开孔率为0.3~0.7的范围内,开孔接管结构对圆柱壳稳定性的影响,不仅取决于开孔以及接管厚度的大小,还与圆柱壳本身的稳定性有着紧密的关系。随着接管厚度的增加,圆柱壳临界屈曲压力呈现为一种对数式增长。圆柱壳本身的临界屈曲压力越高,开孔接管结构对其稳定性的影响就越为显著,而相同接管厚壁补强条件下的临界屈曲压力削弱比越大。总结全文,对含接管圆柱壳试样进行了三维几何形貌的扫描并进行了外压试验。通过数值模拟与实验相结合的方法,验证了将傅里叶级数模型用以研究含接管圆柱壳结构外压稳定性的准确性。基于傅里叶级数模型,采用正交法,以不同缺陷幅值、长径比、开孔率的含接管圆柱壳为研究对象,通过数值模拟分析研究各因素对临界屈曲压力的影响。
【图文】：

图 1-1 研究路线框架图基于傅里叶级数模型，也就是考虑了圆柱壳几何形貌缺陷的情况下，本文以不同幅值、长径比、开孔率的含接管圆柱壳为研究对象，通过数值模拟分析研究接管厚临界屈曲压力的影响，分析接管厚壁补强的可行性。同时，采用外压实验、逆向工对数值模拟研究进行验证及补充。主要研究内容如下：（1）由板材卷焊成型圆柱壳，并分别设置 0.3 及 0.7 两种开孔率下的接管。通过 3描仪扫描获取实验试样的扫描模型，经 ABAQUS 对其数值模拟后获取各试样预计界屈曲压力及屈曲位置。（2）搭建含接管圆柱壳外压实验台，通过外压实验，，获取不同尺寸参数下含接柱壳失稳时的临界屈曲压力及失稳形貌，并通过应变片测得失稳状态下个关键点的应变数据。由实验结果分析开孔接管结构对圆柱壳失稳的具体作用形式，并为后续值模拟存储数据。（3）基于简化傅里叶级数模型，通过 ABAQUS 模拟计算不同尺寸参数下含接管壳的临界屈曲压力。分析研究几何缺陷、开孔率、接管厚度等参数对含接管圆柱壳性的影响程度。并通过不断增加接管壁厚的方法，研究接管厚壁补强在外压下的具

12 3 4 5 6 注水口放水口加载口8放空口 压力表口压力腔压力腔1 手孔 2 下托板 3 螺杆 4 圆筒试样 5 上托6 乙型法兰 7 平盖 8 鞍座图 2-1 外压实验装置示意图
【学位授予单位】：浙江工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TH113.25

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本文编号：2634375