冲击载荷下结构动态屈曲的数值研究

发布时间：2020-07-07 20:11

【摘要】：结构的稳定性问题是近代固体力学的一项重要研究内容，也是目前工业设备中迫切需要解决的课题之一。梁和圆柱壳是工程中最常使用的结构形式，从某种意义上来说，对这类结构屈曲问题的研究，推动了结构稳定理论的建立和发展。本文对梁和圆柱壳结构在冲击载荷下的动态屈曲问题进行了较为系统深入的理论分析，针对结构后屈曲阶段的非线性行为提出了行之有效的数值研究方法，并给出了符合文献实验结果的梁及圆柱壳的后屈曲模态。 本文首先介绍了结构稳定理论的主要研究方向，分析了结构动态稳定领域的最新研究进展，主要总结了冲击载荷作用下结构动态屈曲问题的研究方法和结论，评价了冲击载荷下结构动态屈曲的判别准则。 本文认为阶跃冲击载荷的传播和发展依据应力波理论，应力波的传播和反射具有局部性和发展性，导致结构动态屈曲由局部向整体生长和发展。 本文考虑结构的非线性大挠度屈曲问题，依据几何方程，平衡方程，以及本构关系，基于Hamliton变分原理导出弹性圆柱壳和梁的非线性运动控制方程，着眼于应力波的传播和反射理论，应用有限元程序LS-DYNA3D对冲击载荷下梁和圆柱壳结构的动态屈曲问题进行了数值计算，研究分析了初始缺陷、边界条件、几何参数、动力非线性效应以及应力波传播效应等因素对结构的动力响应、动力屈曲及动力失效的影响。计算结果给出了屈曲模态发展过程的动画显示，以及各种参量的时程曲线，分析了弹性圆柱壳从轴对称屈曲到非轴对称屈曲的发展过程，并讨论了惯性效应对动态屈曲发展的影响。 数值研究表明初始缺陷不是结构发生动态屈曲的必要因素，即圆柱壳是否出现动态屈曲主要与冲击速度和圆柱壳的几何、物理参数有关。数值计算结果也得到了应变率反向现象及应力波在结构中传播的一些有趣结果，计算结果与文献实验结果吻合较好。 本文借助于应力波传播规律和有限元数值方法研究了弹性梁壳结构在冲击载荷作用下的动态屈曲问题。结构受冲击载荷作用时，必然伴随着压缩应力波(纵波)、扭转应力波(横波)以及弯曲应力波的传播，甚至应力波的反射和透射等。正是由于具有局部特征的应力波传播，引起结构动态屈曲局部或整体地发生和生长，本文的研究方法为解决类似问题和相关的研究方向提供了一个求解思路和途径。
【学位授予单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2004
【分类号】：TH114
【图文】：

实验中应注意的一个问题。另外一个更重要的问题是关于冲击载荷的测量，它直接关系到实验结果的可靠性，是一个鱼待解决的技术问题。图1一5一1是Bisagni【叫在实验中得到的轴向冲击载荷作用下圆柱壳的后屈曲模态，图1一5一2是HongweiMa[1叫等在实验中得到的轴向冲击扭转载荷作用下圆柱壳的后屈曲模态。总的来看，近十几年来，屈曲问题的实验研究仍然主要采用电测方法;在数值计算方面，计及各种非线性效应的影响，采用大型有限元程序精细地分析屈曲和后屈曲过程是今后的一个发展方向;遗憾的是在屈曲问题的理论分析方面，特别是动力屈曲准则问题上至今未能形成一致的看法，在这种格局下，人们大都针对各种具体结构提出各自不同的研究方法，可以说屈曲理论特别是动力屈曲理论近十几年来一直处于一种停滞不前

那么横向位移将快速增长，但是轴向载荷并不以相同的速率增长(同横向位移相比)。图5斗16不同初缺陷下的长径比/曲率同临界载荷的关系(日95本16、恤riationofb匹Uing】“记asafijnctionofslendern七ssra6oandc切，川胜爬ofbe山.)图5斗16反映了不同幅值初缺陷情况下的长径比、曲率同临界载荷的关系曲线。一般来说，静态和准静态情况下，Eulerl临界屈曲载荷随着长径比的减少而增大，但是，在动态冲击载荷下，情况并不总是这样。如图5斗16所示，对不同幅值的初缺陷，在动态屈曲过程中，得到的结论和Euler屈曲现象不尽相同，这是由于当梁越短，那么梁的曲率越大

弯曲应力波同时发生，另外在屈曲的发展过程中存在几何、接触非线性以及惯性效应。图6一3一固定端各向反作用力矩的时程曲线图(Fig石一3一6Thetime一storye切rvesofreactionmonentsonthefixed，end)比较图6一3一3一图6一3一6的各反作用力的时程曲线可以发现:周向反作用力出现非零振动幅值所需时间长于轴向、径向反作用力，这是因为周向反作用力直接同弯曲应力波密切联系，而弯曲波的传播速度较压缩应力波慢得多，这是导致其滞后的主要原因:另外周向反作用力的发展趋势也有所不同，其反作用力值不断振荡增大，虽然幅值比较小，但在一定条件下，可能发展成为屈曲后期阶段不可忽略的因素，不象径向反作用力和周向反作用力矩那样，在加载阶段作小幅增大的振动，卸载荷后反作用力幅值激烈振荡。6.3.3.2动力屈曲中惯性力的分析图6一3一养图6一3一10是节点n浏e7和node48的惯性力和力矩时程曲线图，其中node7是距离固定端距离约为0.05L处节点

【引证文献】

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本文编号：2745555