碟形封头压力容器在内压作用下的弹塑性屈曲及后屈曲行为研究.pdf

设计计算
磔形封头压力容器在内压作用下的弹塑性
屈曲及后屈曲行为研究
汤国伟,张形2
(1.上海飞机设计研究院结构设计研究部,上海201210;2北京航空航天大学固体力学研究所,
北京100191)
摘要:基于 ABAQUS对受内压碟形封头压カ容器的弹塑性屈曲及后屈曲行为进行分析。通过非
对称网格剖分技术诱发结构的屈曲行为,采用Riks算法捕捉完整的屈曲及后屈曲路径,分析屈曲
载荷和后屈曲形态。计算结果表明,在内压作用下碟形封头压力容器过渡区城出现波状的分叉屈
曲形态,随着加载的继续,过渡段将逐渐生成肉眼可视的褶皱,进入后屈曲阶段。后屈曲路径可以
分为第一阶段与第二阶段。对引入初始厚度缺陷的结果分析可知,初始缺陷厚度的布置将对后屈
曲路径产生影响,并降低结构的分叉屈曲载荷。
关键词:碟形封头压力容器;分叉屈曲;后屈曲;非对称网格剖分;初始厚度缺陷
中图分类号:TH149;0344.3文献标识码:A文章编号:1001-4837(2012)10-0016-07
doi:10.3969/j.issn.1001-4837.2012.10.004
Elasto-plastic Buckling and Post-buckling of Internal Pressurized
Torispherical Pressure Vessel
TANG Guo-wei, ZHANG Tong
Structure Design and Research Department, Shanghai Airplane Design and Research Inslitute, Shang-
hai 201210, China; 2. Solid Mechanics Research Center, Beijing University of Aero &Astro, Beijing
100191, China)
Abstract: Elasto-plastic buckling and post-buckling of internal pressurized torispherical shell is ana
lyzed by ABAQUS. Asymmetric mesh technology is an effective way to break symmetry and to induce the
bifurcation buckling for simulating the buckling behavior of torispherical shell under internal pressure by
Riks method. The buckling load is captured from the load- deflection curve of a typical point within the
buckled zone. The results show that As the internal pressure increased above some critical value, a wave
like band had appeared in the knuckle region. After formation of the wave like deformation the pressure
can be further increased substantially, causing the formation of visible buckles in the knuckle region. The
post-buckling behavior can be departed as two phases: the first phase and the second phase. Initial im-
perfections have been introduced to the model. The post-buckling behavior has been affected by the lo-
cation of the imperfections, and the bifurcation load has decreased caused by the initial imperfections
Key words: torispherical pressure vessel bifurcation post-buckling; asymmetric mesh technology; initial
recti
16
第29卷第10期
压力容器
总第239期
Gil, Patel i和Gil, Galletly的试验结果进行
0引言
对比。上述所有的研究都试图给出一个可以用于
判断临界压力的方法,而对于売体屈曲以及后屈
碟形封头压力容器可以广泛地用于存储和运曲的物理本质并未涉及。如果能够完整捕捉壳体
输各种工业用气体、液体,此外,还大量应用于民的屈曲以及后屈曲路径,科研人员可以了解非线
用飞机结构。长期以来,受内压碟形封头压力容性因素在屈曲及后屈曲行为中的影响,而工程师
器的稳定性问题是固体力学中的一个重要问题。们借此可以预测屈曲在哪种情况下、哪些部位容
受内压碟形封头壳体结构,柱壳到球壳的过渡区易发生屈曲,并能够通过修改设计方案、有针对性
受压应力作用,导致売体结构发生屈曲失稳,如图地避免屈曲失稳的发生。
1所
Wardle8对中心受集中载荷作用的圆柱壳板
的非线性屈曲和后屈曲行为进行有限元分析时,
利用非对称网格技术获得了该问题的分又屈曲
解,指出原先被广泛采用的基准解的误差:其计算
得到分又屈曲解的极限载荷比基准解极限载荷小
向内凹陷
10%,这是非对称网格技术在圆柱壳屈曲分析中
的一次成功应用。张彤等?利用非对称网格
剖分技术,对碟形封头压力容器在内压作用的屈
曲行为作了一系列研究,成功得到了分叉屈曲形
态,并将几何参数及物理参数对屈曲载荷的影响
作了详细的分析。文中近一步对内压作用下碟形
(a)向内凹陷褶皱
封头压力容器的后屈曲行为进行研究,并对引入
初始缺陷和非对称网格剖分两种方法得到的临界
屈曲载荷和后屈曲模式进行对比。
向外凸出
1非对称网格剖分方式及弹塑性屈曲分析
图2示出工业中常用的碟形封头压力容器的
几何形貌。该结构由柱壳、环壳、球壳三部分组
成
(b)向外凸出褶皱
球冠
图1内压作用下碟形封头压力容器过渡区域的
后屈曲形态
过渡区
20世纪80年代出现了一系列运用有限元方
法研究碟形封头壳体结构弹塑性屈曲的研究成
果,其中包括: Brown与 Kraus2运用小变形理论
圆柱区
计算受内压椭球封头压力容器的临界压力:;Bush
nell与 Galletly3在前屈曲分析中运用大变形理
论计算受外压碟形封头的屈曲载荷; Bushnell与
Galletly4, Lagae与 Bushnell., Galletly运用
BOSOR5有限元程序计算受内压碟形封头壳体结
构的屈曲载荷,并将数值计算结果与Kirk和
图2碟形封头压力容器的几何形貌
17