U型波纹管及相关结构环向屈曲的有限元分析(Ⅱ）--半圆环壳的屈曲

环壳不仅是U型波纹管的一个组成部分，更是一类重要的结构，在航天、核能和海洋工程中有重要的应用，其屈曲是人们关注的问题之一，其中对半圆环壳的分析还较为少见。本文采用文[7]的有限元法（考虑了屈曲前的弯曲和屈曲时载荷的转动并按线性化特征值问题处理）计算了正Gauss曲率半圆环壳在均匀外压作用下的屈曲，将所得结果与已知的近似解进行了对比、并讨论了其中的差异。本文除了给出临界载荷和子午线的屈曲模态外，还给出了前屈曲弯曲应力分布，以便仔细了解屈曲问题。     

U型波纹管及相关结构环向屈曲的有限元分析(Ⅲ)--波纹管平面失稳的机理

波纹管无论是在内压还是在外压作用下都会发生环向屈曲或平面失稳,问题很复杂至今未得到妥善解决。本文首先指出了现行的有关“塑性铰”概念的某些不足之处,然后按文[8]的有限元法(考虑了屈曲前的弯曲和屈曲时载荷的转动并按线性化特征值问题处理)对波纹管的环向屈曲进行了计算,并与前人的有关实验进行了对比分析,在此基础上解释了波纹管平面失稳的原因和发展过程。     

半圆环截面细环壳的屈曲

本文由Sanders非线性平衡方程和Koiter小应变协调方程推导出细环壳的非线性微分方程和稳定方程。用伽辽金法求解了静水压或边界载荷作用下的半园环截面细环壳的稳定方程。对于不同的边界条件及一系列几何参数,计算得到了临界载荷及屈曲模态。     

框架结构屈曲的精确有限元求解

基于屈曲微分控制方程的一般解,构造了Euler梁在轴力作用下的精确形函数,建立了用于框架结构屈曲分析的精确有限单元,得到了单元刚度矩阵和几何刚度矩阵的显式表达,并提出了基于常规特征值计算的迭代算法以确定屈曲载荷及相应失稳模态的精确解. 研究表明, 对于线性稳定性分析而言,常规框架有限单元可视为精确有限单元的一种近似. 若采用精确单元,无需进行网格细分就可以获得精确的屈曲载荷和失稳模态. 数值算例证明了新单元和算法的效率和精度.      

具有压电材料弹性环形板的屈曲

对在不同位置粘有任意多对压电片的弹性环形板在电压和径向压力作用下的轴对称屈曲进行了研究．根据压电效应的等效作用量，初参数法以及传递矩阵方法得到了环板屈曲的特征方程．对不同位置及不同宽度的压电片，计算了结构的屈曲载荷．并得到了稳定性边界曲线．     

外压对环肋圆柱壳轴向弹塑性动力屈曲的影响

采用增量理论,借助增量数值解法研究了复合加载（轴向流－固冲击载荷＋径向均匀外压）条件下环肋圆柱壳的弹塑性动力屈曲,采用类似B－R准则和Southwell方法来确定临界载荷,讨论了径向均匀外压对结构动力性态及抗轴冲击能力的影响。     

锥壳的轴压屈曲

依据新的精确的锥壳屈曲分支方程 ,研究承受轴向压力的刚性圆顶夹支截锥壳的稳定性。构造的屈曲模态接近分支点变形。应用 Galerkin法计算了各种截锥比壳体在全锥度的临界特征值、屈曲荷载和临界应力。结果表明 ,轴压屈曲临界应力σcr 随几何参数ν的减小和截锥比λ的增大而减小。     

环壳屈曲的渐近解

本文提出分析圆环壳屈曲的一种渐近解析方法,由Sanders非线性平衡方程和壳中面变形协调方程推导出静水外压下环壳的稳定方程,求出了方程的渐近解,理论计算的临界压力值与Fishlowitz的实验结果符合良好,并研究了屈曲前非线性变形对临界载荷的影响。     

基于混合变量的脱层壳屈曲分析

提出一种分析脱层圆柱壳稳定性问题的混合变量条形传递函数方法。首先基于一阶剪切理论，通过定义广义位移变量和对应的广义力变量，建立壳的改进的混合变量能量泛函；然后引入条形单元，对混合变量在环向进行离散，从而导出超级壳单元的混合变量能量泛函，由变分原理得到控制方程，采用传递函数方法得到其形式解；最后，将含环向贯穿脱层的复合材料层合壳作为超级壳单元的组合体，得到脱层壳的屈曲方程。给出了脱层大小和深度以及脱层壳边界条件对屈曲载荷的影响。     

环形板的非轴对称屈曲分析

本文利用打靶法研究了内外边界固支且在外边界受均匀径向压力作用下的极正交各向异性环形板的非轴对称屈曲和过屈曲,计算了临界载荷,讨论了分支解的存在性,得到了分支解的渐近表达式,分析了环形板的屈曲性态。     

联合载荷作用下简支矩形板的屈曲和过屈曲

本文研究了简支正交各向异性矩形板在两对板受中面压力作用下的屈曲和过屈曲性态,得到了载荷的稳定性区域,证明了临界载荷最多为二重的。利用多参数摄动方法求得临界载荷附近板的过屈曲状态的渐近解,分析了在二重临界载荷附近,当载荷按比例变化时,板的可能的过屈曲状态及其与参数的依赖关系。     

板壳弹塑性屈曲的有限元分析

1 拟协调双曲壳单元为解决板壳有限元分析的C~1连续性问题,本文给出三角形拟协调双曲扁壳单元的刚度矩阵.拟协调单元是基于域内假设应变场和边界拟协调位移场,应用最小势能原理所构     

环形板的非轴对称屈曲分析

本文利用打靶法研究了内外边界固支且在外边界受均匀径向压力作用下的极正交各向异性环形板的非轴对称屈曲和过屈曲,计算了临界载荷,讨论了分支解的存在性,得到了分支解的渐近表达式,分析了环形板的屈曲性态。     

静力预加载环向加筋圆柱壳的轴向流-固冲击屈曲

将初缺陷放大准则应用于静力预加载环向加筋圆柱壳结构受轴向流-固冲击加载作用时的几何非线性动力屈曲研究中。运用Galerkin方法推导出壳体-肋骨系统的动力屈曲控制方程,并且采用Runge-Kutta法进行数值求解。着重分析了静力预加载荷对结构屈曲性态及抗轴向冲击能力的影响。     

水下爆炸载荷作用下环肋加筋圆柱壳结构的弹塑性动力屈曲

为研究水下爆炸载荷作用下潜艇结构的动力屈曲现象,以潜艇耐压结构的简化模型环肋加筋圆 柱壳结构为研究对象,建立流固耦合有限元分析模型,应用瞬态有限元分析程序MSC.Dytran对该结构在水 下爆炸冲击载荷作用下的弹塑性动力屈曲行为进行研究,基于Budiansky-Roth准则和Southwell方法确定环 肋加筋圆柱壳结构的临界屈曲载荷,讨论结构动力屈曲的影响因素如载荷强度、网格密度、径厚比、长径比、加 筋截面间距、加筋尺寸等对环肋加筋圆柱壳结构动屈曲模态和临界屈曲载荷的影响。结果表明:采用建立的 流固耦合有限元分析模型,应用动力瞬态有限元软件MSC.Dytran可以对加筋圆柱壳结构的动力屈曲行为进 行模拟,模型网格尺寸大小、结构几何参数对结构的动力屈曲临界载荷都有一定的影响,其中加筋圆柱壳结构 的径厚比对结构的动力屈曲临界载荷影响最为显著。     

钢框架高等分析中考虑局部屈曲的子结构法

将相对自由度概念引入三维实体等参数单元,得到了16结点相对自由度壳元的插值表达式,并基于更新拉格朗日构型的虚位移原理推导了该壳单元的刚度矩阵。在单元刚度矩阵形成以后采用子结构法对内部结点自由度进行聚缩,根据薄壁构件相关假定并考虑截面翘曲因素的影响,通过边界结点的位移协调条件把壳单元组装成每端7个自由度的薄壁梁-柱单元参与整体分析,可以考虑板件局部屈曲的影响;突破了传统分析的紧凑型截面限制,并通过算例证明了本文方法的精确度和有效性。     

辛方法在弹性圆板屈曲问题中的应用

在辛几何空间中将临界载荷和屈曲模态归结为辛本征值和本征解问题,从而形成一种辛方法.研究和讨论了轴对称屈曲和非轴对称屈曲问题,它们分别属于零本征值问题和非零本征值问题.以弹性圆板屈曲问题作为研究对象,借助于系统的能量构造出哈密顿体系,得到了该体系下的所有的本征解.数值结果给出了圆板和圆环板问题的临界载荷和屈曲模态.数值结果表明:对应低阶屈曲模态的临界载荷相对较小且屈曲模态在周向的波纹数也较少,说明在屈曲过程中低阶屈曲模态容易出现,特别是轴对称屈曲更容易发生;对应较大分支数的临界载荷,其值相对较大且屈曲模态在径向的波纹更加复杂;同时物理常数和几何参数也会直接影响临界载荷的大小.     

无拉力弹性地基上矩形板屈曲/后屈曲问题的辛求解方法

无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲问题是板壳力学中一类重要课题,在工程中有着大量应用.因涉及接触非线性,目前主要采用数值方法对该类问题进行求解,发展具有重要基准价值的解析方法是当前面临的一项挑战.针对上述问题,本文将板划分为若干包含强制边界条件的板,形成子问题,在辛空间下利用分离变量与辛本征展开对子问题进行解析求解,通过子问题边界处的连续条件确定板与地基的接触状态;通过迭代求解上述过程,获得子问题划分的收敛结果,并得到最终屈曲载荷及模态.结果表明,无拉力弹性地基与Winkler地基上板的屈曲行为存在显著差异,且无拉力弹性地基的刚度对板的屈曲载荷与屈曲模态均有重要影响.在此基础上,结合Koiter摄动法与辛方法,对无拉力弹性地基上矩形板的后屈曲问题进行求解,获得板的后屈曲平衡路径.所得到的屈曲与后屈曲分析结果均与有限元计算结果吻合良好,确认了本文结果的正确性.由于本文方法数学推导严格,求解效率高,因此不仅为研究无拉力弹性地基上矩形薄板的屈曲/后屈曲行为提供了一种有价值的理论工具,更有望拓展至更多复杂板壳力学问题的求解.     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。     

等直杆单元切线刚度矩阵的精确分析方法

为了有效完成大型铰接单层网壳结构的后屈曲分析,本文采用对杆单元杆端力函数求导的方法推导出了等直杆单元切线刚度矩阵的精确形式。该切线刚度矩阵不受结构小变形限制,适用于结构产生任意大结点位移情况。以六角星桁架、平面圆拱桁架和大跨K8单层网壳结构为算例,采用广义位移控制法进行非线性后屈曲分析,其中预测子采用本文杆单元切线刚度矩阵。算例分析结果表明,本文杆单元切线刚度矩阵在大型铰接单层网壳结构的非线性后屈曲分析中有很强的预测能力。