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1、第40卷第2期船海工程Vol.40No.22011年04月SHIP&OCEANENGINEERINGApr.2011DOI:10.3963/j.issn.16717953.2011.02.004大开孔圆柱壳极限载荷的有限元分析舒斌,胡刚义,肖伟,张元盛(中国舰船研究设计中心,武汉430064)摘要:利用有限元法分析大开孔加强的圆柱壳在外压作用下的屈曲性能,采用非线性有限元法对结构进行弹塑性分析,通过结构上最大塑性变形点的载荷位移曲线,用两倍弹性斜率法确定其极限载荷值,根据数值计算结果提出大
2、开孔圆柱壳的稳定性设计建议。关键词:大开孔;极限载荷;非线性分析中图分类号:U661.42文献标志码:A文章编号:16717953(2011)02001404薄壳结构由于其良好的受力性能在工程中得到了广泛的应用。圆柱壳是其中应用最普遍的形式之一。在工程设计和制造中经常需要在壳体上开一个或数个孔洞。对这些结构来说,屈曲失稳成为其破坏的主要因素之一。试验表明,圆柱壳越薄,非线性和几何缺陷等因素的影响越大。开孔壳体结构的稳定性与壳体的几何尺寸、初始缺陷、材图1围壁加强形式料性质、孔洞的形状和尺寸以及加载和约束方式等诸多因素有
3、着密切的关系。因此,用经典的解析方强建立模型。研究影响大开孔圆柱壳极限承载能法精确求解壳体的临界载荷及屈曲模态十分困难,力的两个无量纲参数a/R(开孔率)及t/T(围壁厚度与壳体厚度比)这两个参数变化对大开孔圆面向工程应用的壳体结构屈曲分析通常采用数值方法。极限分析主要计算理想弹塑性材料的结构柱壳极限承载能力的影响。在静水外压作用下,所能承受的最大载荷。与常规计算相比,极限分析对D/T=250,a/R=0.25、0.30、0.35、0.40,t/T=0.29、0.54、1.00、1.50的大开孔圆柱壳进行计更能反映结构的性能。极限载荷的定义是基于材
4、算。料是理想塑性体这样的前提之上的,且仅考虑小变形的情况。事实上,由于材料的应变硬化效应和几大开孔圆柱壳结构形式与无开孔圆柱壳结构何的强化及弱化效应,理想的极限状态很少发生。不同,此时采用壳单元很难表示出开孔处的结构特征和屈曲形态,所以选择实体单元来计算。选为此,采用什么样的准则来确定真实结构的极限载用20节点95号等参元(SOLID95),该单元适用荷,成为工程界十分关心的问题。针对工程实际问题,使用ANSYS软件建立大开孔圆柱壳采用围壁于具有不规则形状的有限元模型且精度较高,每个节点有3个方向的自由度。材料采用理想弹塑补强的模型,通过结构上最大
5、塑性变形点载荷位移性模型,性能参数分别为:弹性模量E=206GPa,曲线,用两倍弹性斜率法确定其极限载荷值。泊松比=0.3,屈曲强度s=590MPa。考虑几1计算模型何形状和载荷的对称性,在建立有限元模型时取模型的1/4作为分析对象。为了尽可能地提高工分析模型见图1。大开孔圆柱壳采用围壁补作效率、保持分析精度,对不开孔的完整圆柱壳进行试算以确定合适的网格密度。采用映射网格划收稿日期:20100803分,准确控制网格密度,既可避免远离壳体围壁相修回日期:20100824贯区网格过密浪费计算资源,又可细化壳体围壁作者简介:舒斌(197
6、9),男,硕士生。研究方向:潜艇结构设计相贯区(应力集中区),避免重要部位网格过于稀Email:shubin0213@126.com疏而增大网格离散误差。根据以上原则,在两倍14大开孔圆柱壳极限载荷的有限元分析舒斌,胡刚义,肖伟,张元盛围壁直径的范围内划出一个区,在这个区内,网格划分细密,该区以外网格划分稀疏,见图2。图2模型网格划分2几何非线性屈曲分析特征值屈曲分析用于预测一个理想弹性结构的理论屈服强度,其结构偏于保守,分析结果比实验所得的临界荷载小很多。非线性屈曲分析比特征值屈曲分析更加精确,在分析实际结构时通常采用。在用有
7、限单元法对几何非线性问题进行分析时,常采用增量分析方法。采用增量分析方法分析时基本上采用两种不同的表达格式:第一种格式中所有静力学和动力学变量总是参考于初始图3不同开孔率时的p曲线位形,即在整个分析过程中参考位形保持不变,称为完全的Lagrange格式;另一种格式中所有静力由图3可见,在相同加强条件下,极限载荷随学和动力学的变量参考于每一荷载或时间步长开着开孔率的增加而减小。当a/RT>1时,开孔始时的位形,即在分析中参考位形是不断被更新越大,围壁的加强效果越明显。这也与Tenny的,称为更新的Lagrange格式。计算中选择基于[1
8、2]son、Starnes、Toda等人的研究结论相一致。大变形、小应变的更新的Lagrange方程计及几何2.2围壁
