考慮后屈曲行為的單層球面網(wǎng)殼穩(wěn)定承載力研究.pdf

1、屈曲是造成連續(xù)薄殼與單層網(wǎng)殼結(jié)構(gòu)失效的重要原因之一。研究發(fā)現(xiàn)經(jīng)典屈曲理論對(duì)薄殼屈曲荷載的估計(jì)值偏高,因此許多學(xué)者嘗試對(duì)屈曲荷載進(jìn)行更準(zhǔn)確可靠地預(yù)測(cè)。本文考慮單層球面網(wǎng)殼的后屈曲行為進(jìn)行研究,以期對(duì)其屈曲荷載進(jìn)行準(zhǔn)確估計(jì)。
　　薄殼結(jié)構(gòu)有限元分析
　　本文使用ABAQUS建立有限元模型,考慮幾何缺陷,對(duì)殼體的后屈曲行為進(jìn)行非線(xiàn)性分析,求解采用了Riks弧長(zhǎng)法跟蹤荷載位移曲線(xiàn)。分析結(jié)果表明,當(dāng)初始幾何缺陷較小時(shí),初始屈曲荷載與經(jīng)

2、典屈曲理論計(jì)算值非常接近,然而隨著初始缺陷的增加,模擬的初始屈曲荷載會(huì)顯著下降,與經(jīng)典理論值差異很大。對(duì)于球面薄殼,不同幾何缺陷的荷載-位移曲線(xiàn)在后期趨向于重合,形成一“平臺(tái)”,表明初始屈曲荷載對(duì)幾何缺陷非常敏感,而后屈曲荷載對(duì)幾何缺陷不敏感。這是經(jīng)典屈曲理論高估屈曲荷載的一個(gè)主要原因。
　　薄殼結(jié)構(gòu)屈曲荷載的經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)
　　實(shí)際工程中,幾何缺陷主要來(lái)自建造誤差。經(jīng)典屈曲理論并未考慮結(jié)構(gòu)的非線(xiàn)性這一重要因素,而這一因素一般被認(rèn)

3、為是經(jīng)典理論高估屈曲荷載的另一主要原因。本文使用有限元法模擬時(shí)考慮了幾何非線(xiàn)性,計(jì)算出了后屈曲荷載。以往對(duì)軸心受壓圓柱殼的研究表明,后屈曲荷載值為柱殼屈曲試驗(yàn)所得承載能力的平均值,薄殼的屈曲應(yīng)力與厚度的1.5次方成正比,由此預(yù)測(cè)屈曲荷載與厚度的2.5次方(t2.5)成正比,該預(yù)測(cè)得到了有限元分析驗(yàn)證。因此采用該荷載值作為后屈曲荷載可避開(kāi)幾何缺陷的影響。采用“平臺(tái)”處的荷載作為屈曲荷載更具現(xiàn)實(shí)意義。有限元分析表明,薄殼后屈曲后變形的一種形

4、式是“局部凹陷”,而應(yīng)變能集中在“局部凹陷”的周邊。因此本文利用功能原理對(duì)“局部凹陷”進(jìn)行分析,推導(dǎo)出了球面薄殼的后屈曲承載力經(jīng)驗(yàn)公式,并依據(jù)擬殼化處理,將這一承載力計(jì)算式擴(kuò)展到單層球面網(wǎng)殼中。
　　利用擬殼法預(yù)測(cè)單層球面網(wǎng)殼屈曲荷載
　　利用擬殼法可將單層球面網(wǎng)殼可以看成連續(xù)殼進(jìn)行分析。對(duì)單層球面網(wǎng)殼有限元分析發(fā)現(xiàn)其后屈曲行為與球面薄殼類(lèi)似。初始屈曲荷載對(duì)初始幾何缺陷敏感,而后屈曲荷載對(duì)初始幾何缺陷并不敏感。因此,根據(jù)后屈

5、曲荷載,將單層球面網(wǎng)殼等效為球面薄殼,并確定了球面薄殼的等效厚度teq。依據(jù)薄膜剛度以及彎曲剛度推導(dǎo)了等效薄膜厚度tm以及等效彎曲厚度tb。不改變材料彈性模量,通過(guò)teq建立了三向網(wǎng)格單層球面網(wǎng)殼與球面的等效關(guān)系。
　　單層球面網(wǎng)殼屈曲試驗(yàn)
　　為了驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式以及有限元模擬結(jié)果,本文進(jìn)行了三向網(wǎng)格單層球面網(wǎng)殼屈曲試驗(yàn)。試驗(yàn)采用模擬均布荷載加載,記錄了網(wǎng)殼頂點(diǎn)的變形,形成了荷載-位移曲線(xiàn)。除其中一個(gè)模型形成局部凹陷后承載力可