轴压作用下充液圆柱壳的屈曲的实验研究毕业论文

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1、1引言1.1研究意义随着航空、航天、原子能利用等飞速发展，结构在冲击载荷作用下的稳定性问题，特别是进入塑性状态以后的稳定性问题，长期以来一直是工程力学和结构工程界十分活跃的研究领域。随着现代工业技术的发展，大量新型、高强度材料以及轻型结构的广泛应用于航空、航天、原子能、船舰、化工、建筑等许多工业行业中，这使得人们对诸如杆、板、壳等轻型结构元件在各种外载荷的作用下结构平衡稳定性问题愈来愈关注。最初的研究是弹性状态下的静力失稳问题，随着结构设计的发展，又进一步考虑结构在进入塑性状态以后才失稳。圆柱壳常常是在内部充满液体介质的条件下工作的，显然，内部液体介质的存在将对圆柱壳的屈曲性能

2、有重要影响，因此，研究充满液体的圆柱壳在轴向作用下的屈曲过程，不仅在结构设计和某些成型工艺中有着强烈的工程应用背景，而且也有重要的理论意义。对于静态内压和轴压联合作用下圆柱壳的弹性失稳问题，自三十年代，Flügge用小变形理论研究了该问题以来，已取得了一些成果。张善元等人曾对充满水的圆柱薄壳在轴向压缩下的屈曲性能进行了一系列的实验研究和相应的理论分析。王仁等人对充满液体的厚壁圆柱壳在轴向冲击载荷下的塑性失稳问题从理论和实验两个方面进行过探讨，认为与无内压时相比较，由于内压的存在，轴向失稳半波数略有减少，失稳形式以轴对称失稳形式为主。冯元桢(Y．Zung)及席希勒(KSec~Ze

3、r)于二十世纪50年代曾表示过：在某种意义上，薄壳的稳定性同题在经典的弹性理论中仍旧是最引人思考探索的同题。圆柱形薄壳于轴向压力下的弹性稳定性问题这一经典力学问题由于理论临界压力与实验值差别巨大吸引了无数力学家致力于研究，其理论的选出，从本世纪以来直到70年代依靠了近代实验手段才摸清了屈曲真相，理论才得适应。早期的线性理论辅压临界力大于实验值的2～5倍，甚至l0倍。于是L．H．Donnel于1934年提出采用非线性理论研究这类壳的后屈曲问题。1941年卡门及钱学森(T．VonKo-Tmon&S．Tsi~n)应用了大挠度方程分析了这类壳的后屈曲问题。屈型函数是余弦级数，首次得出了

4、下临界力。可是B．O．Almorth发现如取这双重余弦级数多项后，下临界力会趋于零，这是不合理的。w．T．KoJter于1945E~]提出了双分歧理论及缺陷敏感说法，他的理论仅适用于后屈服初始阶段。M．steTmL7则提出非线性前屈曲一致理论但未能解释后屈曲诸多现象(如变形跳跃)。直到1972年E．F_z~／ngcr应用了高速摄象仪录取了轴压圆柱形薄壳整个后屈曲阶段中变形跳跃真相后，准确的理论分析才有了真实的依据。圆柱壳是工程中最常用的结构元件之一，对圆柱壳在各种基本载荷以及在不同类型载荷的联合作用下的屈曲问题研究一直是应用力学界和结构工程界十分关注的课题。而轴压圆柱壳的弹性后

5、屈曲也是力学上的一个经典问题。40年代以来，在Kam和钱学森的开创性研究之后，许多研究者在理论上进行了大量的研究，在实验上也做出了极为精细的实验。关于这些工作，都已有较全面的讲述。至今，这个问题一方面仍吸引着一些力学工作者进行深入的理论研究；另一方面，随着航空、航天工业对各种轻型结构的采用，了解结构在屈曲后的承载能力的实际需求也要求对这类问题有深入全面的了解。有限元法已经取得了广泛的成就。关于破坏性，在工程实践中，常用在建筑行业的支撑结构，如脚手架及立柱、机械传动系统中的杆件，以及各种现代交通运输工具速度的提高和数量的增加，引发的交通碰撞造成的人生伤亡和财产损失，也常用薄壁圆柱

6、壳来作为碰撞时的吸能元件。郑金鑫[1]对金属材料圆柱壳和纤维复合材料圆柱壳做了大量的试验研究，结果表明，圆柱壳作为受力构件，比其他结构形式的构件具有更为优良的抗拉压和抗冲击的力学性能，更能发挥其材料和结构的作用。这类构件受轴向压力所产生的破坏具有重要的意义，研究它在轴向静压力和轴向动压力作用下的破坏机理有广泛的应用前景。金属薄壁圆柱壳常被用作贮液容器，显然充满液体的圆柱壳在轴向作用下的屈曲性能是一个富有重要工程背景的课题。韩铭宝、杨青春、王仁曾视壳内液体不可压缩，用放大函数法对这一问题进行过研究。我们沿用同样的思路做过一些分析，得到了有意义的结果，这些分析估算最优发展模态还是可

7、以的，对于确定屈曲载荷却有人为性，更无法得到屈曲发展过程。这样实验观察和数值模拟就成为研究这类强非线性问题的有效途径，冲击屈曲实验是在自行研制的DHR940l型落锤式加载试验机上完成，该装置可提供大的冲击能量。试验中主要观察不同冲击速度下的变形模态，同时通过专门的测试仪器记录壳内液压变化和撞击力的时程曲线。在已有实验观察的基础上建立了耜应的计算模型，将金属壳壁理想化为等向强化的弹塑性体，壳内的水视为可压缩理想流体，作为AIE(ArbitraryLagrangianEulerin)单元处理。利