耦合载荷作用下的弹塑性薄壁圆柱壳的动态屈曲分析.pdf

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耦合载荷作用下的弹塑性薄壁圆柱壳的动态屈曲分析

高晓丹马源

（大连理工大学化工学院化工机械系大连116012）

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摘要：本文主要研究了弹塑性圆柱壳在承受径向均布压力和扭转冲击载荷耦合作用下的动态屈曲问题。借
助ANSYS有限元方法对承受耦合载荷的圆柱壳进行非线性屈曲模拟计算，数据结果给出了圆柱壳在承受耦
合载荷作用下的屈曲模态，分析在不同大小冲击扭转载荷作用下对圆柱壳屈曲产生的影响。
关键词：弹塑性圆柱壳，耦合，冲击载荷，有限元，动态屈曲

DynamicBuckinganalysisofelastic-plasticthinCylindrical
Shellsundercouplingloads
XiaodanGAO,YuanMA
(DepartmentofChemicalMachinery,DalianUniversityofTechnology,Dalian,116024,China)
Abstract：ThispaperdiscussestheElastic-plasticDynamicBuckingofCylindricalShellsunder
theequalradialpressureandthetorsionimpactloadatthesametime.ThefiniteCylindrical
ShellsaresimulatedforthedynamicbucklingbythemeansofthefinitesoftwareANSYS.The
dataofthesimulatedresultsshowthebucklingmodesoftheCylindricalShellsunderthecoupling
loads.Finally,theeffectofthedifferentvalueofthetorsionimpactloadstothisstructure
areanalyzed.
Keywords：elastic-plasticcylindricalShell，coupling,impactload,finiteelement,dynamic
buckling

1.引言
圆柱壳是工程中常见的基本结构，它在各类载荷作用下的屈曲特性的研究受到了人们的广泛重视[1]。
RC.Tennyson[2]利用实验和计算的方法对飞行器、化学容器、核反应堆容器和导弹等圆柱壳模型在各种
耦合载荷作用下的弹性静力屈曲问题进行了研究。王仁、韩铭宝等[3]对轴向冲击弹塑性圆柱壳的屈曲问
题进行了研究[4]。刘理，刘土光[5]等采用Carman-donnell运动方程分析了在轴压冲击载荷作用下的圆柱
壳的屈曲问题。韩铭宝、杨青春[6]研究了在径向载荷和轴向冲击联合作用下的圆柱壳塑性稳定性问题。
Vaziria[7]等利用线性特征值方法分析了薄圆柱壳在内压与轴压共同作用下的屈曲行为。已有的对于圆柱壳
屈曲问题的研究报导，主要是在单一载荷情况下圆柱壳的屈曲问题，或者是耦合载荷作用下的静态屈曲问
题。然而在实际工程中，圆柱壳在承受径向均布压力的同时又受到冲击载荷作用的情况是经常存在的，与
单独承受冲击载荷时的圆柱壳相比，耦合载荷作用下圆柱壳的动态屈曲特性有很大的变化。薄壁圆柱壳在
耦合载荷作用下的动态屈曲问题是非线性动态问题，其研究难点在于高阶偏微分方程的解析求解非常困
难，而应用有限元方法对此问题能很好进行模拟。因此，我们采用ANSYS有限元方法来研究在耦合载荷作
用下薄壁圆柱壳的动态屈曲问题。
2.屈曲分析
2.1屈曲理论

高晓丹，女，1979年1月生，硕士研究生。大连市，116012
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屈曲又称失稳，是指系统在外界干扰微小时，系统状态的扰动发生较大的变化[8]。屈曲分析是一种用
于确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态(结构发生屈曲响应时的特征形状)的技术[9]。
2.2屈曲有限元理论
屈曲现象可以用Lagrange式(或更改的Lagrange式)来表示:
Kq∆=0（1）
[]T{}{}
K=+KK+K−K（2）
[]TL[]0[][]σ[]g
其中K切线刚度矩阵;K常规有限元刚度矩阵;K初位移刚度阵或大位移刚度阵;K
[]T[]0[]L[]σ
初应力刚度阵或几何刚度阵;K载荷刚度阵;∆q节点位移增量。式(1)中的∆q不为零向量,那么
[]g{}{}
按代数方程组的理论K行列式必须为零,即屈曲的判断准则为:K=0（3）
[]T[]T
2.3非线性屈曲分析方法
非线性屈曲是考虑几何大变形等非线性因素的一种静力分析,基本求解方法是逐步施加外载增量,求
解式(1),此时