圆柱壳稳定性问题的研究进展

圆柱壳是工程实际中广泛应用的结构,其主要破坏形式是屈曲失稳．作为力学领域的经典问题,圆柱壳稳定性问题的研究非常之多．其中,受均匀轴向压力的圆柱壳由于临界屈曲载荷的理论预测值与早期试验结果之间的巨大差异,更是推动了壳体稳定性理论的不断发展．本文简要回顾了壳体稳定性理论的发展和分类,并对轴压圆柱壳体试验结果分散且远低于理论预测值的原因及含缺陷圆柱壳体的稳定性研究方法进行了总结,然后综述了地下空间顶管、储油罐、加筋圆柱壳及脱层圆柱壳等实际工程中广泛应用的圆柱壳结构稳定性研究的现状和趋势,最后展望了将来对工程应用中圆柱壳结构的稳定性研究的难点和方向．     

电活性聚合物圆柱壳静态与动态电压下的响应及稳定性

摘要：在电活性聚合物圆柱壳内外表面施加电压,圆柱壳会变薄并且伸长,因此相同的电压会在圆柱壳内产生更大的电场。这个正反馈可能使圆柱壳厚度不断变薄,最终导致其失稳破坏。本文研究了电活性聚合物圆柱壳在静态和周期电压作用下的响应及稳定性问题。采用neo-Hookean材料模型得到描述圆柱壳表面运动的非线性常微分方程。给出了圆柱壳在不同厚度和边界条件下外加电压随圆柱壳变形的变化曲线,结果表明存在一个临界电压,当外加电压大于这一临界值时,圆柱壳将被破坏。同时,也讨论了厚度和边界条件对临界电压的影响。圆柱壳在正弦周期电压作用下,其运动随时间的变化是周期性的或拟周期性的非线性振动。给出了圆柱壳振动固有频率的计算结果,采用打靶法得到圆柱壳振动的周期解,并且用数值法研究了周期解的稳定性。采用数值仿真得到圆柱壳振动振幅随外加动态电压激励频率的变化曲线,结果表明圆柱壳会发生多频共振,共振时圆柱壳振幅发生跳跃,导致圆柱壳失稳破坏。最后给出共振点临近点的振动曲线和相图,并对其振动特性进行讨论。     

静水压力下环加肋圆柱壳总体与局部失稳分析的复合有限条法

本文提出了一种计算环加肋圆柱壳稳定性的新方法─—复合有限条法。该方法能够在一个复合有限条元中计入若干个横向加肋的影响，井能考虑肋骨的偏心，是一种子结构方法。算例表明，复合有限条法具有很高的求解精度和效率，是一种分析加肋柱壳结构的较理想方法。该方法不仅能够计算环加肋圆柱壳的总体失稳临界载荷，而且可计算其局部失稳临界载荷。     

静水压力下环加肋圆柱壳总体与局部失稳分析的复合有限…

本文提出了一种计算环加肋圆柱壳稳定性的新方法－复合有限条法。该方法能够在一个复合有限条元中计入若干个横向加肋的影响，并能考虑肋骨的偏心，是一种子结构方法。算例表明，复合有限条法具有很高的求解精度和效率，是一种分析加肋柱壳结构的较理想方法。该方法不仅能够计算环加肋圆柱壳的总体失稳临界载荷，而且可计算其局部失稳临界载荷。     

含有初始凹陷圆柱壳稳定承载能力的实验研究与数值计算

对含有初始轴对称凹陷的圆柱壳在轴向载荷作用下的稳定承载能力进行了研究。首先,通过实验研究,得到了不同凹陷参数及不同壳长条件下的临界载荷。同时,不考虑凹陷成形过程,仅把凹陷部分当做结构的不规则变化时,对含有凹陷圆柱壳建立三维有限元模型进行稳定性分析。在分析中考虑了初始缺陷(圆柱壳成形加工中的不平直度、椭圆度、初始弯曲等因素引起)幅值f0=0.1t和f0=0.2t(t为壳体壁厚),得到了不同凹陷参数及不同壳长的临界载荷。结果表明:含有凹陷圆柱壳稳定承载能力对初始缺陷不太敏感,即:初始缺陷与凹陷相比,对稳定承载能力的影响极小。数值计算结果与实验结果吻合较好,共同给出了含有初始轴对称凹陷圆柱壳的承载能力随凹陷幅值、长度及圆柱壳长度的变化而改变的规律。     

充内压的整体加劲圆柱壳承受轴压的稳定性

本文概述了充内压整体加劲圆柱壳承受轴压的稳定性的实验和理论研究结果.在非加劲圆柱壳和两种网格型整体加劲圆柱壳稳定性试验的基础上,讨论了充内压的整体加劲圆柱壳在轴压作用下的失稳特点.分析表明,可按过屈曲平衡状态的分歧点,近似地决定实际屈曲的总体失稳载荷.     

轴向应力波作用下圆柱壳塑性轴对称动力屈曲

运用有限元特征值分析方法对应力波作用下圆柱壳塑性轴对称动力失稳问题进行了研究。基于应力波理论和相邻平衡准则导出了圆柱壳轴对称动力失稳时的特征方程,在分析中同时考虑了应力波效应及横向惯性效应,把圆柱壳塑性动力失稳问题归结为特征值问题。通过引入圆柱壳动力失稳时的波前约束条件实现了此类问题的有限元特征值解法。计算结果揭示了圆柱壳塑性轴对称动力屈曲变形发展的机理,以及轴向应力波和屈曲变形的相互作用规律。     

轴向应力波作用下圆柱壳弹性轴对称动力失稳有限元特征值分析

本文运用有限元特征值分析方法对应力波作用下圆柱壳弹性轴对称动力失稳问题进行了研究。基于应力波理论和相邻平衡准则导出了圆柱壳轴对称动力失稳时的有限元特征方程,在此方程中考虑了应力波效应及横向惯性效应,把圆柱壳弹性动力失稳问题归结为特征值问题。通过引入圆柱壳动力失稳时的波前约束条件实现了此类问题的有限元特征值解法。计算结果揭示了圆柱壳弹性轴对称动力屈曲变形发展的机理,以及轴向应力波和屈曲变形的相互作用规律。     

圆柱壳在轴向压力和环向外压复合作用下的稳定性

圆柱壳在静水压力作用下的稳定性问题,实验与理论研究均较充分。而圆柱壳在轴向压力p和环向外压q任意复合作用下的稳定性问题的研究结果尚不一致。这样在设计应用中便出现困难。就以海洋石油管道的设计为例,石油管道(圆柱薄壳)由于使用及施工状...     

局部轴压下圆柱壳的失稳分析

本文用传递矩阵法在初始缺陷法的概念下对圆柱壳的一端有四个类似集中力的局部轴压作用下的失稳问题进行了研究。     

内爆和柱壳条件下无氧铜的层裂特性

利用任意反射面位移干涉系统(DISAR)激光测速技术,成功地获得了滑移内爆加载和柱壳结构条件下无氧铜的内表面（自由面）速度剖面,并对其层裂特性进行了初步分析。结果表明:(1)在固定炸药和改变无氧铜圆管壁厚条件下,层裂片厚度随着圆管壁厚h的减小而增加;以圆管壁厚h为参照进行归一化,则相对层裂片厚度(/h)随相对装药厚度(he/h)的增大而增加,这种规律与以往对20钢的研究结果一致,但圆管发生层裂的临界条件,却显示出明显的材料相关性。(2)初步来看,无氧铜的层裂强度对结构的依赖性不明显,而与加载脉冲的幅值和宽度相关。(3)受无氧铜粘性和Taylor波衰减的影响,无氧铜的层裂强度随管壁厚度的增加而略有降低;同时,材料分散性也对此有一定影响。     

Shock initiated instabilities in underwater cylindrical structures

An experimental investigation to understand the mechanisms of dynamic buckling instability in cylindrical structures due to underwater explosive loadings is conducted. In particular, the effects of initial hydrostatic pressure coupled with a dynamic pressure pulse on the stability of metallic cylindrical shells are evaluated. The experiments are conducted at varying initial hydrostatic pressures, below the critical buckling pressure, to estimate the threshold after which dynamic buckling will initiate. The transient underwater full-field deformations of the structures during shock wave loading are captured using high-speed stereo photography coupled with modified 3-D Digital Image Correlation (DIC) technique. Experimental results show that increasing initial hydrostatic pressure decreases the natural vibration frequency of the structure indicating loss in structural stiffness. DIC measurements reveal that the initial structural excitations primarily consist of axisymmetric vibrations due to symmetrical shock wave loading in the experiments. Following their decay after a few longitudinal reverberations, the primary mode of vibration evolves which continues throughout later in time. At the initial hydrostatic pressures below the threshold value, these vibrations are stable in nature. The analytical solutions for the vibration frequency and the transient response of cylindrical shell are discussed in the article by accounting for both (1) the added mass effect of the surrounding water and (2) the effect of initial stress on the shell imposed by the hydrostatic pressure. The analytical solutions match reasonably well with the experimental vibration frequencies. Later, the transient response of a cylindrical shell subjected to a general underwater pressure wave loading is derived which leads to the analytical prediction of dynamic stability.     

基于耦合算法的三维复杂结构冲击动力学特性

光滑粒子流体动力学-有限元耦合算法（SPH-FEM）较好地结合了SPH和FEM的优势,近年来逐渐被引入冲击动力学相关问题研究中。然而早期的研究对象多为单一材料的简单结构,所取得的研究成果距离实际工程应用仍有一定差距。为此,在总结前人工作的基础上,对SPH-FEM耦合算法进行适当改进,通过引入复合材料损伤模型,对复合材料蒙皮结构飞行器舱段结构进行建模计算,分析其在爆炸冲击激励下的冲击动力学特性。将数值计算结果与试验结果进行对比分析,验证该算法和模型的有效性和准确性,初步实现SPH-FEM的工程实际应用。最后总结了复合材料蒙皮结构飞行器在爆炸冲击激励下的一系列结构动态响应规律,以期为航天飞行器结构设计与防护提供参考。     

约束层对金属柱壳膨胀变形影响的数值模拟

对金属铝和硬质聚氨酯泡沫组合的约束层对45钢柱壳膨胀断裂性能的影响进行了数值模拟,得到三种约束条件下45钢柱壳在膨胀过程中表面的速度和位移历史剖面,对比分析了在约束层作用下45钢柱壳膨胀变形动态行为。利用高速分幅相机及中能X光机获得了多个时刻45钢柱壳的动态图像和柱壳膨胀后的工程应变,实验结果与数值模拟结果吻合。结果可对爆轰加载下约束层对45钢柱壳膨胀变形的物理规律进行定量认识。     

Influence of external loading on the stability of a fluid-conveying pipeline

A section of a fluid-conveying pipeline is analyzed for stability. The section is modeled by an elastic cylindrical shell of finite length under external static loading. Two qualitatively different instability modes are studied: “quasistatic” (divergence) and dynamic (flutter). The effect of uniform radial pressure and uniform axial pressure on the instability modes is analyzed     

表面加工塑性层对金属柱壳剪切带自组织单旋起始的影响

在外爆加载金属柱壳高速坍塌过程中, 发生塑性变形失稳形成的剪切带具有高度的自组织特征, 甚至出现剪切带排列的单旋现象—剪切带在顺时针和逆时针两个方向呈现一个方向占优的现象. 柱壳在坍塌时, 最大剪切应力位于柱壳内表面, 剪切带的形核及扩展行为受内表面材料介观状态的影响显著. 本文通过选材和控制柱壳加工工艺, 获得了内表面具有不同厚度塑性层的20钢柱壳, 采用厚壁圆筒实验技术, 研究了表面加工塑性层对金属柱壳绝热剪切带自组织单旋现象起始的影响规律及其物理机制. 研究结果表明, 金属柱壳内表面加工塑性层显著改变了试样剪切带的起始条件, 沿顺时针或逆时针方向排列的剪切带形核数量在总剪切带数量中所占比例取决于表面加工塑性层的厚度和晶粒取向, 具有单一晶粒拉伸方向的较厚塑性层样品更容易形成单向螺旋剪切带结构. 在相同变形条件下, 随着塑性层厚度增加, 剪切带平均形核速率和扩展速率增大, 剪切带平均间距减小. 结果可为理解金属柱壳在高速塌陷过程中绝热剪切带占优取向现象提供有价值的参考.      

Numerical simulation of the dynamics of a reinforced shell subject to nonstationary load

A numerical algorithm to determine the stress-strain state of a reinforced cylindrical shell subject to impulsive loading is elaborated. Results from a numerical analysis of the dynamic behavior of a reinforced elastoplastic shell under explosive loading are presented __________ Translated from Prikladnaya Mekhanika, Vol. 44, No. 7, pp. 83–90, July 2008.     

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

采用多普勒光纤探针测速技术（Doppler pins system，DPS，又称全光纤位移干涉测速技术）和高速摄影技术，研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响，获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比，垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程，导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位，最终低于无垫片区域约0.34 mm，该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂；实验结果还表明，在垫片与间隙交界处两侧（沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°）处各增加了一条裂纹，该断裂模式既不同于环向拉伸断裂，也不同于45°的剪切断裂，而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致，这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明，装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应，还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异，以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。     

金属圆柱壳受大质量低速冲击的屈曲变形

对钢质和铜质金属圆柱壳的轴向冲击动力响应进行了实验研究,记录了两种不同材料圆柱壳在大质量低速冲击下的冲击力时程曲线,得到其屈曲模态。采用高速摄像及模拟技术给出了钢质圆柱壳渐进屈曲的全过程,为理解钢质圆柱壳的屈曲机理提供了直观的结果。黄铜质圆柱壳在大质量低速冲击下, 出现整个壳面滿布屈曲波纹的塑性动力屈曲现象,说明高速冲击不是产生塑性动力屈曲的充要条件。像铜这样具有高密度的韧性材料,在大质量低速冲击下,会在轴向产生持续的压缩塑性流作用而出现塑性动力屈曲现象。     

内部爆炸作用下20钢柱壳的变形及相变

研究冲击波作用下金属微观组织变化对于理解柱壳结构在高应变率下的变形及破坏极为重要。实验通过对20钢金属柱壳在内部爆炸载荷作用下的爆炸回收碎片截面进行微观分析,探讨冲击波作用下材料的组织演化、相变特征,同时使用有限元方法对柱壳膨胀断裂过程中的热力学特征进行分析。研究发现:20钢柱壳近内表面满足α→ε相变热力学条件的有限深度区域内,α晶粒内可见明显的平行滑移线分布特征;电子背散射衍射揭示了平行滑移线区域内组织碎化,且存在{112}<111>和{332}<113>两种孪晶,同时平行滑移线的碎化组织区域中存在密排六方晶格(HCP)的ε相结构,而试样原始组织及爆炸后除试样壁厚内部(0～3.0 mm)区域外均未见ε相结构残留。分析认为:冲击过程中发生了α→ε相变;相变引发的材料性能改变将可能影响断裂破坏过程;考虑冲击波作用下金属材料动态相变对结构变形与破坏的影响,对这类柱壳变形及破坏的精密物理模拟具有重要意义,有必要开展进一步研究。