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外压圆柱壳概率设计方法的研究

郑浣琪  
【摘要】:外压容器的失稳受到几何缺陷、几何材料双非线性行为等因素的影响,几何缺陷的存在往往造成其临界失稳压力的大幅下降,且用理论的方法难以求解。随着数值模拟技术的进步,很多学者采用有限元数值模拟技术对外压容器稳定性进行研究,相关的设计标准中也开始引用数值模拟的方法。目前外压容器相关的设计标准均为确定性的设计方法,无法反映实际中参数离散变化和几何缺陷不确定性对其临界失稳压力的影响。本文从这个角度出发,用概率的方法进行外压圆柱壳的设计,探讨外压容器的概率设计方法。 目前各个标准中,相比于GB150、ASME Ⅷ-2、EN13445等,EN1993-1-6对数值模拟在壳体失稳设计中的应用作了更为详细的规定。结合文献中的试验数据,利用ANSYS软件以及“一致缺陷模态法”,将EN1993-1-6中模拟方法的设计值与其他标准的设计值进行了对比,结果表明其规定的数值模拟设计方法与ASME Ⅷ-2、EN13445设计方法得到的值较为接近。 “一致缺陷模态法”的几何缺陷形式与实际中的几何缺陷形式有较大不同,得到的模拟值往往小于试验值。为得到更准确的模拟值,本文从实际几何缺陷的角度出发,结合文献中测量统计圆柱壳几何缺陷数据,用简化后的傅里叶级数来构造初始几何缺陷、进行双非线性模拟,结果显示,用贴近实际的傅里叶级数几何缺陷模型模拟得到的结果比“一致缺陷模态法”的结果更为接近试验值。 ASMEⅧ中取形状偏差折减系数为0.8,通过其修正即认为包含了初始几何缺陷的影响。本文通过模拟得到临界载荷为完美圆柱壳80%时的圆柱壳最大初始几何缺陷e值。结果表明;在L/D。较小时,随着L/D。值的增大,圆柱壳所允许的最大初始几何缺陷e值减小。在L/Do值较大的情况下,随着L/Do值的增大,圆柱壳所允许的最大初始几何缺陷e值增大。同时,模拟的得到的e值普遍大于ASME Ⅷ-2规定的初始几何缺陷e值。 最后,本文基于PDS模块给出了一种外压圆柱壳的概率设计方法,该方法中几何缺陷用贴近实际缺陷形式的傅里叶级数来描述,考虑了影响比较大的几何尺寸参数、几何缺陷以及材料的屈服极限等,所需模拟次数较为合理。结果显示,该方法模拟得到的临界失稳压力的分布中,试验值在其分布均值的2倍标准差之内。且满足可靠度99.999%的前提下,得到的临界失稳压力高于标准中确定性设计方法所得的设计值。


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