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金属圆柱壳轴压屈曲过程表面缺陷值演变规律的研究

钟强  
【摘要】:薄壁圆柱壳是工程中被广泛运用的一种结构,在承受轴压时,较小的几何缺陷将引起圆柱壳承载能力的大幅降低。虽然国内外对带有初始几何缺陷的圆柱壳进行了大量的研究,但是目前针对真实的几何缺陷圆柱壳轴压屈曲过程中在不同轴向压缩量下表面缺陷值的变形规律研究较少。基于此,本文以铝合金圆柱壳为研究对象,采用实验和有限元分析相结合的方法,对实际圆柱壳在轴压屈曲过程进行三维扫描,获得各个阶段的真实的几何缺陷模型,具体内容如下:(1)在恒定的位移速率下对两种不同试样进行了轴压屈曲实验,得到了两种试样的载荷-位移曲线并讨论了长径比对于圆柱壳轴压屈曲的影响。在实验过程中运用三维激光扫描仪得到圆柱壳在不同轴向变形量下的真实缺陷扫描模型。结果表明:圆柱壳轴向压缩量增大时其经线方向变形值也逐步增大,试样变形值的最大点均出现在靠近圆柱壳轴向位置的两端。在圆柱壳轴向变形过程中,经线方向的波形逐渐增大,壳体最终表现为非对称屈曲形式。(2)将扫描的初始缺陷模型以及具有明显波形的变形模型分别进行数值模拟分析,并与前屈曲阶段产生相同变形量的实验模型进行对比表明:变形模型模拟得到的变化波形与实验模型所得到的波形基本一致,而初始模型模拟得到的变化波形在周向位置发生迁移。在四条经线中,实验扫描模型得到的经线的缺陷值相对更大,变形模型模拟分析与对应压缩量下的实验扫描模型得到的缺陷值分析误差在20%以内。(3)有限元模拟得到的屈曲临界应力要大于实验值。由得到的载荷位移曲线表明:实验得到的屈曲临界应力为11.09 MPa,而初始扫描模型得到的屈曲临界应力为15.76 MPa,变形模型得到的屈曲临界应力为14.83 MPa,模拟得到的屈曲应力值与实验值误差大致在40%以内。(4)研究温度和变载荷对轴压圆柱壳发生蠕变屈曲的影响表明:温度和载荷会大幅度的降低蠕变屈曲时间,温度由200℃增大到260℃时,其相应的屈曲时间减少在80%以上。在同一轴向压缩量下,高温下圆柱壳经线方向的缺陷值相对于常温更小,其缺陷值曲线的变化值更加集中。各个时刻曲线表现出一定的波动性,随着时间的不断增加,轴压圆柱壳最终发生蠕变屈曲失效。


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