复合材料圆柱壳轴压屈曲性能分析

基于ANSYS的外压圆柱壳的屈曲分析余军昌;徐超;张峰;金伟娅【摘要】The stability of cylindrical shell is the primary problem that should be considered in the design of external pressure vessel. This paper analyzed the eigenvalue, geometry nonlinear and geometry-material nonlinear of external pressure cylindrical shell with a special finite element analysis software-ANSYS and compared the results with Mises results, thus obtained the analytic conclusion of the stability of external pressure cylindrical shell. The stability anslysis of Cylindrical Shell with Stiffening rings was also carried out and a new method was proposed to evaluate the rigidity of Stiffening rings.%圆柱壳的稳定性是外压容器设计中应该考虑的首要问题.文章利用有限元软件ANSYS分别对外压圆柱壳进行了特征值、几何非线性和几何/材料双非线性屈曲分析,并把有限元计算结果和Mises公式计算结果进行了对比,给出了外压圆柱壳稳定性的分析结论.同时,对带加强圈的外压圆柱壳进行了失稳分析,提出了一种判断加强圈的刚度是否满足稳定性要求的新方法.【期刊名称】《轻工机械》【年(卷),期】2013(031)001【总页数】4页(P29-31,35)【关键词】外压;圆柱壳;稳定性;ANSYS软件;加强圈【作者】余军昌;徐超;张峰;金伟娅【作者单位】浙江工业大学过程装置与控制工程研究所,浙江杭州310014;浙江工业大学过程装置与控制工程研究所,浙江杭州310014;浙江工业大学过程装置与控制工程研究所,浙江杭州310014;浙江工业大学过程装置与控制工程研究所,浙江杭州310014【正文语种】中文【中图分类】O343.9;TP391.7所谓压力容器的失稳是指压力容器所承受的载荷超过某一临界值时突然失去原有几何形状的现象。

复合材料的抗弯强度与性能优化在现代工程领域，复合材料因其优异的性能而备受关注。

其中，抗弯强度是评估复合材料性能的关键指标之一。

了解复合材料的抗弯强度以及如何对其性能进行优化，对于材料科学的发展和实际应用具有重要意义。

复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料通过物理或化学方法组合而成的。

其组成成分通常包括增强相和基体相。

增强相可以是纤维、颗粒或晶须等，它们赋予材料高强度和刚度；基体相则起到粘结和传递载荷的作用。

这种独特的结构使得复合材料在性能上往往优于单一材料。

抗弯强度，简单来说，就是材料抵抗弯曲变形的能力。

当材料受到弯曲载荷时，内部会产生应力分布。

如果应力超过了材料所能承受的极限，就会发生断裂。

对于复合材料而言，其抗弯强度受到多种因素的影响。

首先是材料的组成成分。

增强相的种类、含量、尺寸和分布都会对复合材料的抗弯强度产生显著影响。

例如，碳纤维作为一种高强度的增强相，在一定含量范围内能够显著提高复合材料的抗弯强度。

而增强相的分布均匀性也很重要，如果分布不均匀，可能导致局部应力集中，降低材料的整体性能。

其次是制造工艺。

复合材料的制备过程包括复合、成型和固化等环节。

不同的工艺参数，如温度、压力、时间等，会影响材料的微观结构和界面结合强度，进而影响抗弯强度。

例如，在热压成型过程中，合适的温度和压力能够促进基体与增强相之间的良好结合，提高材料的抗弯性能。

再者，复合材料的界面特性也是关键因素之一。

良好的界面结合能够有效地传递载荷，提高材料的抗弯强度。

界面的化学性质、物理相容性以及界面的粗糙度等都会对界面结合强度产生影响。

为了优化复合材料的抗弯强度和性能，研究人员采取了多种策略。

一种常见的方法是优化材料的组成和结构设计。

通过选择合适的增强相和基体相，并合理控制它们的比例，可以实现性能的优化。

例如，在航空航天领域，为了减轻结构重量同时保证高强度，会采用高比强度的碳纤维增强树脂基复合材料，并通过精心设计纤维的排布方向来提高抗弯强度。

第22卷　第2期爆炸与冲击V ol.22,N o.2 2002年4月EXP LOSI ON AND SH OCK W AVES Apr.,2002　文章编号:100121455(2002)022*******刘　理,刘土光,张　涛,李天匀(华中理工大学船舶与海洋工程系,湖北武汉　430074) 摘要:对复杂载荷作用下圆柱壳的弹塑性动力屈曲问题进行了研究。

基于Hamilton变分原理导出圆柱壳的运动方程,本构关系采用增量理论,借助增量数值算法求解动力方程组。

结果表明,均匀径向外压对圆柱壳的轴向冲击的过程或冲击性态有较大的影响,并讨论了径向压力与轴向冲击载荷的幅值对结构临界动力屈曲载荷和临界动力失效载荷的影响。

关键词:圆柱壳;复杂载荷;动力屈曲;动力失效Ξ 中图分类号:O347.3 文献标识码:A1　引　言 在工程实际中,如在深水中受爆炸冲击载荷作用的潜艇、在深水中攻击目标的鱼雷、遭受飞行物撞击的原子能反应堆等结构,在承受冲击载荷之前,已经受到了其它类型载荷的作用,因此它们与结构单独承受冲击载荷时的动力性态有较大的差异。

R. C.T ennys on[1]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联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[2]对轴向冲击弹塑性圆柱壳的屈曲问题进行了研究,提出了第二临界速度。

之后,韩铭宝等[3]进一步考虑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,认为复杂载荷下的圆柱壳同样存在着两种临界速度。

但是上述的理论分析是基于小变形下进行的,实际上,薄壁圆柱壳在轴向冲击载荷作用下的屈曲问题属于大变形、大应变的范畴,因此有必要对该类问题继续进行深入的研究。

江松青[4]考察了环向加筋圆柱壳在复杂载荷作用下的弹塑性动力屈曲问题,对均匀径向外压与轴向冲击载荷峰值之间的关系进行了定性的讨论,并得到了一些有意义的结论。

在本文中,我们对复杂载荷作用下圆柱壳的弹塑性动力屈曲问题进行了研究。

复合材料圆柱壳非轴对称动力屈曲孟豪;韩志军;路国运【摘要】考虑应力波效应,通过Hamilton原理得到轴向阶跃荷载下复合材料圆柱壳非轴对称动力屈曲控制方程.根据圆柱壳周向连续性设出径向位移的周向函数形式,使用分离变量法得到应力波反射前复合材料圆柱壳动力屈曲临界荷载解析解及屈曲模态,将该结果与里兹法所得结果进行了对比,结果表明两种方法所得临界荷载差值等于转动惯性的影响项.用MATLAB软件编程分析了径厚比、铺层角度等因素对临界荷载的影响.结果表明转动惯性对圆柱壳动力屈曲临界荷载的影响可以忽略,环向模态数越大,临界荷载越大且对应的屈曲模态图越复杂.%Considering effects of stress wave,the governing equation for non-axisymmetric dynamic buckling of composite cylindrical shells under an axial step load was derived using Hamilton principle.The expression of radial displacement function along the circumferential direction was assumed according to its continuity along the circumferential direction.The analytical solution to the critical load of the dynamic buckling of a composite cylindrical shell and its buckling modes were derived with the variable separation method before the reflection of stress paring the critical load with that gained with Ritz method,it was shown that the difference between the two critical loads is equal to the influence term due to rotary inertia.The influences of diameter-thickness ratio,and ply orientation,etc.on the critical load were analyzed with a self-compiled MATLAB-based code.The results showed that the effect of rotary inertia on the critical load can be neglected;thehigher the circumferential mode order,the larger the critical load and the more complex the corresponding buckling mode shape.【期刊名称】《振动与冲击》【年(卷),期】2017(036)011【总页数】5页(P27-30,78)【关键词】复合材料;应力波;动力屈曲;非轴对称;解析解【作者】孟豪;韩志军;路国运【作者单位】太原理工大学力学学院,太原030024;太原理工大学力学学院,太原030024;太原理工大学建筑与土木工程学院,太原030024【正文语种】中文【中图分类】O343;TB33复合材料圆柱壳因其优良的性能被广泛应用于军事以及航空航天等领域。

1引言1.1研究意义随着航空、航天、原子能利用等飞速发展，结构在冲击载荷作用下的稳定性问题，特别是进入塑性状态以后的稳定性问题，长期以来一直是工程力学和结构工程界十分活跃的研究领域。

随着现代工业技术的发展，大量新型、高强度材料以及轻型结构的广泛应用于航空、航天、原子能、船舰、化工、建筑等许多工业行业中，这使得人们对诸如杆、板、壳等轻型结构元件在各种外载荷的作用下结构平衡稳定性问题愈来愈关注。

最初的研究是弹性状态下的静力失稳问题，随着结构设计的发展，又进一步考虑结构在进入塑性状态以后才失稳。

圆柱壳常常是在内部充满液体介质的条件下工作的，显然，内部液体介质的存在将对圆柱壳的屈曲性能有重要影响，因此，研究充满液体的圆柱壳在轴向作用下的屈曲过程，不仅在结构设计和某些成型工艺中有着强烈的工程应用背景，而且也有重要的理论意义。

对于静态内压和轴压联合作用下圆柱壳的弹性失稳问题，自三十年代， F lügge用小变形理论研究了该问题以来，已取得了一些成果。

张善元等人曾对充满水的圆柱薄壳在轴向压缩下的屈曲性能进行了一系列的实验研究和相应的理论分析。

王仁等人对充满液体的厚壁圆柱壳在轴向冲击载荷下的塑性失稳问题从理论和实验两个方面进行过探讨，认为与无内压时相比较，由于内压的存在，轴向失稳半波数略有减少，失稳形式以轴对称失稳形式为主。

冯元桢( Y．Zung)及席希勒(K Sec~Zer)于二十世纪50年代曾表示过：在某种意义上，薄壳的稳定性同题在经典的弹性理论中仍旧是最引人思考探索的同题。

圆柱形薄壳于轴向压力下的弹性稳定性问题这一经典力学问题由于理论临界压力与实验值差别巨大吸引了无数力学家致力于研究，其理论的选出，从本世纪以来直到70年代依靠了近代实验手段才摸清了屈曲真相，理论才得适应。

早期的线性理论辅压临界力大于实验值的2～5倍，甚至l0倍。

于是L．H．Donnel 于1934年提出采用非线性理论研究这类壳的后屈曲问题。

轴压柱形壳非线性屈曲试验与理论研究王黎辉1，李其凡1，张建1，唐文献2，朱永梅2（1.江苏科技大学机械工程学院，江苏镇江212003；2.江苏省船海机械先进制造及工艺重点实验室，江苏镇江212003）摘要：本文研究了轴压不锈钢柱形壳的非线性屈曲行为。

通过轴向压缩试验，获得柱壳的载荷位移曲线、失稳载荷、最终失稳模式；在此基础上，采用弧长法对试验壳体进行非线性屈曲计算，分析平衡曲线、临界载荷、临界屈曲和后屈曲模式等非线性屈曲行为，并与试验结果作对比研究。

结果表明：在柱形壳受轴压而发生弹塑性屈曲时，端部长度缺陷会在轴压初期降低柱形壳的承载力从而影响临界屈曲载荷，且高度越小时，柱形壳越容易在两端发生形变。

但是总体来看，发生塑性屈曲时，端部长度缺陷对临界载荷影响很小。

关键词：柱形壳；非线性屈曲；临界载荷；轴向压力中图分类号：TE58U661.4文献标识码：A doi:10.3969/j.issn.1007-7294.2021.05.013Experimental and theoretical study on nonlinear buckling of axially compressed cylindrical shellsWANG Li-hui 1,LI Qi-fan 1,ZHANG Jian 1,TANG Wen-xian 2,ZHU Yong-mei 2(1.School of Mechanical Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang 212003,China;2.Jiangsu Provincial Key Laboratory of Advanced Manufacture and Process for Marine Mechanical Equipment,Zhenjiang 212003,China)Abstract ：The nonlinear buckling behaviors of stainless steel cylindrical shells under axially compressed loadings are studied.The axial compression tests are carried out to obtain the load-displacement curves,the buckling loads and the post buckling modes of such shells.On this basis,nonlinear buckling behaviors such as the equilibrium curves,critical loads,critical buckling and post-buckling modes are analyzed.The results of analysis are well consistent with experimental data.The results show that when the axially compressed cy⁃lindrical shells buckle in an elastic-plastic range,the end length imperfection will reduce the bearing capaci⁃ty of the cylindrical shells at the initial stage of axial compression and affect the critical buckling load.The smaller the height is,the easier it will be for the cylindrical shells to deform at both ends.However,in gener⁃al,when plastic buckling occurs,such imperfection has a slight effect on the critical load.Key words:cylindrical shell ；nonlinear buckling ；critical load ；axial compression0引言圆柱形壳因其良好的承载力和易于加工等特性在海工平台应用广泛，目前平台桩腿多采用桁架第25卷第5期船舶力学Vol.25No.52021年5月Journal of Ship Mechanics May 2021文章编号：1007-7294（2021）05-0645-07收稿日期：2020-11-03基金项目：国家自然科学基金资助项目（51709132）；江苏省自然科学基金项目（BK20150469）作者简介：王黎辉（1969-），男，副教授，E-mail:****************；李其凡（1995-），男，硕士研究生，E-mail:***************；张建（1984-），男，副教授，E-mail:*****************。

圆柱曲壳固有特性分析摘要：圆柱壳在航空航天结构、潜水设备、大型管道系统等领域中均有广泛的应用，圆柱曲壳则是其中必不可少的组成要素。

基于经典壳体理论，建立曲壳的自由振动微分方程，进而分析圆柱曲壳的固有频率和振型等特性。

结果表明，梁函数组合法可以较好地逼近曲壳的固有振动；约束条件对曲壳的固有频率有较大影响。

关键词：曲壳模型、固有频率、振动特性1.引言圆柱壳体具有重量低、强度高、刚度高、跨度大等优点，因此在很多工业和国防领域得到广泛应用，比如热交换器壳体、各种管道和容器、飞机和潜艇的外壳等，成为现代工程中广泛采用的一种基本结构单元。

作为不可或缺的组成部分，曲壳具有改变传输介质流动方向、满足空间设计需要、调整安装位置、补偿热胀冷缩等作用。

曲壳的固有特性对整个结构的安全运行起着非常重要的作用，因此一直是结构动力学研究的重要内容。

张振华[1]分析了输液管道系统动力响应的研究进展情况。

胡平[2]用退化的曲壳单元模拟了厚钣金件的翻边与回弹变形问题。

李俊海[3]证明利用曲壳模型可以反映地质构造的真实情况，满足油田分析地层地应力的要求。

刘霞光[4]采用曲壳有限元法求得各种形状的开孔支轮筒壳的应力和位移。

李尧臣[5]利用曲壳理论解决了金属板材在成型过程的相关问题。

本文以曲壳为研究对象，同时考虑壳体的轴向、切向和径向位移。

其中，曲壳的横截面形状假定为一个完整的圆，圆周方向的振型可以表示成三角函数之和的形式；轴向的振型可以用具有相同边界条件的梁的振型函数来近似。

利用二者的组合以表示圆柱曲壳的振型函数，进而求解圆柱曲壳的固有频率和振型。

2.自由振动微分方程此处考虑的是薄壁圆柱曲壳。

在中曲面上任取一微元，其轴力、剪力和弯矩如图1所示。

把微元本身的惯性力考虑进来，建立如下的动力平衡方程应用经典壳体理论得出中曲面上的薄膜应变与中曲面位移、弯曲应变与中曲面位移之间的关系式，将各关系式带入公式（1）～（3），可得曲壳自由振动控制方程如下：3.振动方程求解根据曲壳关于赤道面的振动是否对称，把位移表达式写成如下两种形式。

复合材料压力容器金属内胆自紧后的屈曲可靠性分析摘要：复合材料压力容器相比传统的金属压力容器，具有高强度、轻量化、耐腐蚀等优异性能，广泛应用于航空、航天、化工等领域。

在工程应用中，由于压力容器制造工艺水平的差异以及材料性能的分散性，结构尺寸和材料性能等基本设计参数往往是具有随机分布的变量。

因此为了保障服役过程中的安全性，需要在考虑设计参数随机性的基础上对金属内胆纤维缠绕复合材料压力容器开展可靠性分析。

基于此，对复合材料压力容器金属内胆自紧后的屈曲可靠性进行研究，以供参考。

关键词：复合材料压力容器；金属内胆；屈曲分析；可靠性分析引言压力容器是工业生产中不可或缺的设施，由于工业水平的不断进步，被大量运用在石油、化工等领域。

在具体的使用阶段，部分压力容器会由于上下游设备剧烈振动而引起设备的疲劳损坏。

为保证其可以正常使用，需对其进行定期检测，发现裂纹问题时要尽快予以解决。

1压力容器金属内胆局部屈曲分析方法复合材料压力容器在缠绕制备过程中，纤维缠绕带会在局部产生堆叠，由于材料分布不均匀导致堆叠部位的两侧会存在空隙，当施加自紧压力时，缠绕层内的空隙会被压实，会在内胆上形成向内的凹陷。

复合材料压力容器在自紧压力卸载后，金属内胆产生塑性变形，与缠绕层之间存在残余压应力，但由于凹陷的存在，使得该处内胆与缠绕层之间产生界面拉应力，而界面拉应力会导致缠绕层出现局部脱粘，向内收缩，挤压内胆的现象，从而引发内胆发生局部屈曲，这种屈曲也称为“收缩屈曲”。

针对这种屈曲问题，本文首先建立含金属内胆的柱形复合材料压力容器的有限元模型，并在金属内胆与复合材料缠绕层之间设置接触单元，计算内胆在自紧压力加载时和卸载后的应力分布，求解内胆的面内张力和界面压力；然后，沿内胆厚度方向提取直筒段中部每一个节点的轴向应力，并在厚度方向上积分，求出薄壁金属内胆的轴向面内压力；最后，建立金属内胆直筒段凹陷在自紧工艺后的轮廓变化以及凹陷对内胆界面压力和残余弯矩的作用的解析模型。

①复合材料壳体的轴压稳定性陈汝训(中国航天科技集团公司四院四十一所, 西安710025)摘要: 给出了复合材料壳体圆筒临界轴压的计算公式。

讨论了用壳体内压和轴压实验确定复合材料圆筒弹性常数的工程方法。

算例表明, 计算值与实验结果符合良好。

关键词: 固体推进剂火箭发动机; 复合材料; 火箭发动机壳体; 临界轴压+中图分类号: V 435文献标识码: A则式( 1) 中的T c r 应由两部分组成——纯轴压和等效轴压, 即1引言潜地导弹在入水或出水阶段要承受很大的轴T cr = T o + T eT o 为纯轴压。

(3)压和弯矩。

某些地空导弹的轴向过载和横向过载可分别达70g n 和50g n , 这将使导弹承受很大的轴压和弯矩。

固体火箭发动机是弹体的组成部分, 这些轴压和弯矩将作用在发动机壳体上。

固体火箭发动机金属壳体具有较高的弹性模量, 其承受外载的能力较强, 轴压稳定, 往往无需担心。

复合材料壳体的弹性模量较低, 如果是潜地导弹或地空导弹的发动机使用复合材料壳体, 则需对其轴压稳定性进行认真校核。

由于复合材料壳体圆筒缠绕的对称性, 可将其做为正交异性体处理, 临界轴压可用下式计算式中只要复合材料圆筒的弹性常数能够准确给定,用式(1) 计算复合材料壳体圆筒的承轴压能力是相当准确的。

然而这些弹性常数往往确定的不准确、甚至确定不了, 这就使复合材料壳体承受外载荷能力的校核无法进行。

以下给出确定复合材料圆筒弹性常数的工程方法。

2复合材料壳体圆筒弹性常数确定正交异性复合材料圆筒在轴对称载荷作用下E z E ΗT cr = 2Πk h 2(1)3 (1 - ΜzΗΜΗz )属平面应力问题, 其应力应变关系为Ρz ΕzQ 11 Q 12式中T cr 为临界轴压; k 为实验修正系数, 一般为0. 3～0. 5; h 为圆筒壁厚; E z 为圆筒轴向弹性模量;E Η为圆筒环向弹性模量; ΜzΗ、ΜΗz 为圆筒泊松比。

带上盖的圆柱壳屈曲特性研究孙林凯;张金鹏【摘要】According to the buckling characteristics of the cylindrical shell-shaped part,this paper proposes a method that the part's buckling mode is simulated by ANSYS Workbench to get the critical loads of first 6 buckling modes,as an example of the support of the M739A1.The critical load in 1st buckling mode can be used to check the safety of the fuze,and the 6th can be used to check its explosive performance.The result shows that thickness of the support has greater influence on critical buckling load than fillet and hole diameter.%针对圆柱壳状零件的屈曲特性问题,以M739A1引信支筒为例,利用ANSYS Workbench软件进行屈曲特性模态仿真,得到了前6阶模态下的屈曲临界载荷.1阶屈曲模态下临界载荷可以校核引信安全性16阶模态下的临界载荷可以验证引信触发性能.研究表明,相对于支筒的圆角和中心孔直径,支筒壁厚对支筒的屈曲临界载荷影响作用更大.【期刊名称】《机械制造与自动化》【年(卷),期】2017(046)001【总页数】3页(P60-62)【关键词】引信;屈曲特性;模态仿真;支筒;临界载荷【作者】孙林凯;张金鹏【作者单位】海军驻704所军事代表室,上海200031;上海船舶设备研究所,上海200031;南京理工大学机械工程学院,江苏南京210094【正文语种】中文【中图分类】TP391.9圆柱壳是工程中广泛使用的一种结构形式。