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1、薄壁箱型结构稳定性分析陈玉振，岳振兴（南京电子技术研究所，江苏南京210013）摘要：应用ANSYS软件对薄壁箱型结构未加筋和加筋两种状态进行了特征值屈曲分析，并与试验结果进行对比，找出仿其与试验得到的结构极限失稳载荷的差距，证明了加筋对提高薄壁结构稳定性的显著作用。并用ANSYS对某型宙达的升降塔进行了稳定性校核，证明加筋后塔身能够满足在给定载荷下的稳定性要求。关键词：屈曲分析、稳定性、有限元、薄壁箱型结构1引言现代工程结构的设计，大屋采用了高强度合金制成的细长杆件和薄壁板売筹结构型式。对于此类结构，其破坏往往不是由于结构材料达
2、到了强度极限，而是由于发生了屈曲失稳。这种屈曲失稳可能是弹性的或非弹性的，可能是局部性的或全局性的。局部性失稳在引起弹性压屈的载荷作用下并不发生破坏，相反，其抗力随着压屈的进展而不断增人；全局性失稳会使结构在无任何征兆的情况下完全失去承载能力，发生灾难性破坏，造成严重的片果。因此，为保障薄壁壳体结构的安全性，不仅要校核其强度和刚度状态，还必须考虑英失稳破坏应力，即进行屈曲稳定分析，确定结构开始变得不稳定时的临界载荷和屈曲模态形状。某型雷达升降塔塔身采用了薄壁钢板折弯后焊接成方管的加工方法。在塔身一侧承受较大风载荷的情况下，由于弯矩
3、作用，背风面处于受压状态。本文取塔庁其中一节进行失稳计算和试验，验证计算结呆的准确程度，为塔身整体稳定性计算提供依据。2有限元仿真计算近年来rh于计算机的迅速发展，关于壳体问题的数值解法方而，有限单元法得到FI益发展和应用，特别是解决复杂结构的失稳问题很有成效。木文利用ANSYS有限元通用软件对薄壁方管构件进行特征值（线性）屈Illi分析，得到一阶屈1川模态和结构临界失稳载荷。2.1基本理论有限元法中屈Illi问题的平衡方程为:（」k]°+,[k]”[kL+」k]Jx{3}=[k]tx{A^}={A^}其中」K]o为通常意义的刚度
4、矩阵；t[Kl为初应力刚度矩阵:t[K]L为初位移或人位移矩阵；t[Kl为初载荷刚度矩阵；屮表示内力和外力的向暈和；q农示位移。根据虚位移原理，对平衡状态有：dn=d{q}T{V/}=0⑵则有〃2口=〃念丫[«・〃念}=0⑶若H的二阶变分是止值，则平衡是稳立的;反Z,是负值，则平衡是不稳定的。这就是大变形下结构稳定性的判据。2.2有限元模型及加载图1儿何模型及有限元模型对实体模型进行取中面建模，利用壳单元进行网格划分，截面尺寸为364*364,为使结果尽可能精确，采用扫略网格划分，单元尺寸选为lOmmo材料为高强钢，弹性模量2.0
5、68e5MPa,泊松比0.3,屈服强度700MPao加载方式为底部固定,顶部定义加载质量点来施加水平集中力。2.3屈曲计算对方管进行特征值（线性）屈曲计算，得到局部火稳时的一阶屈曲模态，如图2所示。屈曲发生在方管受压侧一面的根部，为一列纵波。施加载荷为1T,计算得到屈曲载荷因子为1.6,所以，结构的火稳临界载荷为1.6T,远小于强度破坏载荷7.1T,所以结构在强度破坏Z前已发生屈曲火稳。从图上可以看出，受压侧钢板在压应力方向上皱损成3个半波，在垂直方向仅有1个半波，这与板的屈曲理论规律相一致。图2不加筋试件局部屈曲形态图为提高结构
6、的稳定性，在筒内壁四周焊装冲压成形的加强筋，如图3所示。图3加筋示总图对加筋后的方管进行特征值屈曲计算,顶部施加集中力1T,得到屈曲因子为9.0,所以，加筋后结构的临界失稳载荷为9T。加筋后的一阶屈曲模态如图4所示，与不加筋时冇所不同，方管根部出现两列纵波。图4加筋试件局部屈曲形态图3实体模型屈曲试验方管底端固立，顶部水'卜施加周期60s的止弦位移波。加载峰值位移从1mm到60mm,实行逐级加载fl每次加载完毕后都图5模型及试验加载示意图卸载到零。根据仿真计算得到的根部屈曲波形图，在底部波峰处安装位移计和应变片，并在根部贴应变片监
7、测最大应力，见图5。3.1未加筋方管加载试验图6未加筋试件位移计及应变片安置图5mm位移加载6mm位移加载8mm位移加载—9mm位移加磁6050208■(9.2)嵌誉40S)O时3图7波峰处应变片应变一位移
8、11
9、线rfl图7看出，当水平位移加载到8mm对应加载力为1.1T时，应变量发牛突变，说明薄板己经发牛了局部屈曲。通过数据分析，发现当方管发牛局部凸凹变形时的褶皱处测试应力仅为12MPa,还远未达到其屈服强度700MPao当加载载荷达到2.6T时，方管在下部的板血发牛了明显的屈曲特征；当水平力增大到2.7T时，薄板根部测试应力
10、为691MPa,基本达到了材料的屈服强度极限。010203040506070水平位移(mm)图8未加筋构件整体承载力一位移曲线材料达到屈服极限之后，结构的承载能力仍继续提高。当顶部载荷达到4.6T时，结构完全失去承载能力，发牛整体破坏。但从图8可以
