论文部分内容阅读
承受均匀内压或外压,周边固定夹持的金属双曲薄壳结构,在压力密闭系统中,多作为紧急快速泄压（爆）的功能元件,或作为快开元件完成某些特定的工艺操作。拉伸型结构从初始平板形状鼓胀变形,再至破裂,具有大位移和大应变的特点。压缩型结构是板壳在拉伸型载荷作用下预拱成形的,再让壳体凸面受外压而发生屈曲破裂。这两种结构有别于常规结构的安全裕度设计方法,必须在设定的塑性拉伸失稳载荷或屈曲载荷下发生破裂。几何和物理的非线性耦合使得问题的求解十分困难,目前还缺乏高精度的失稳载荷计算方法。本文从解析方法、有限元分析方法和实验方法研究等方面对此命题进行了探讨和研究。 （1） 提出了一种改进的金属薄壳双向拉伸材料性能实验方法,计入了弹性回复对极顶曲率的影响,避免了因采取球形轮廓和均匀减薄等假设所造成的误差。从而为弹塑性有限元分析提供了更为准确的应力应变关系数据。 （2） 对承受内压、非等厚轴对称双曲薄壳,基于大塑性变形几何关系,通过严格的数学推导,建立了用微分代数方程描述的数学模型。避免了Gleyzal等建立的变形几何关系采用Taylor展开,导致求解大变形问题精度较低的不足。采用Klopfenstein-Shampine数值微分方法进行计算,可方便地获得该类结构应力、应变和位移等参量的变化规律,为改进实际工程结构的设计方法确立了更为坚实的理论基础。 在研究分析前人提出的简化几何关系导致较大误差原因的基础上,提出了一种利用本构关系、变形几何关系和静力平衡关系确定塑性拉伸失稳载荷的方法。确立了计算塑性拉伸失稳载荷的高精度工程设计计算公式。 基于双向塑性拉伸失稳条件,对幂硬化金属材料,揭示出理论塑性拉伸失稳载荷与材料的强度系数成正比,而与材料应变硬化指数的大小无关。 （3） 把非线性有限元分析技术与实验方法研究有机结合,对以大变形、变曲率和变厚度为特征的拉伸型径向透缝薄（板）壳结构、径向带槽薄壳结构等进行了较全面的研究。边界处夹持圆角对薄壳结构力学行为的影响,与相似准则ru/S0的大小密切相关。根大连理工大学博士学位论文据影响情况,可将其划分为4个区域,以:u/s。二0.52、1.50和2.00为界,依次是完全影响区、不稳定区、亚稳定区和非影响区,这为实际工程设计提供了可靠的理论依据。 确立了相对挠曲高度、桥长及相对减弱槽深等基本结构参数与塑性拉伸失稳载荷间的具体数量关系。在此基础上,对上述拉伸型结构建立了塑性拉伸失稳载荷的高精度设计计算公式,填补了当今该领域工程界尚缺乏高精度理论设计计算方法的空白。 （4）采用“波型缺陷”分析方法,将线性屈曲分析所得一阶特征值屈曲模态作为结构的初始缺陷,对压缩型轴对称薄壳结构和圆底双曲带槽薄壳结构,进行了非线性屈曲分析。 首先研究了边界负曲率段对整体结构屈曲行为的影响,发现当相似准则;了d介于1.43x10一3一9.05x10一3的范围内时,初始屈曲发生于极顶区域,负曲率段对结构的影响极小,屈曲载荷值十分稳定。如果:u/d大于9.05 x 10一3,初始屈曲便会发生在边界负曲率段,屈曲载荷会随;了d的增加而不断降低。可以认为:;u/d为9.05 x 10一3是此类结构发生失稳的一个重要分支点。 进而,又研究了相对挠曲高度、厚径比和相对减弱槽深等基本结构参数对屈曲载荷的影响规律,在此基础上,建立了结构屈曲载荷的高精度设计计算公式,具有重要的实用价值。关键词:爆破片;塑性拉伸失稳;弹塑性屈曲;双向拉伸实验;有限元方法