CN112364461B - 一种薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法 - Google Patents

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Abstract

本申请属于结构强度设计领域，特别涉及一种薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法。包括：步骤一、获取薄壁圆筒的特性参数，所述特性参数包括薄壁圆筒材料的杨氏模量，薄壁圆筒的长度、外径以及内径；步骤二、根据所述特性参数计算薄壁圆筒的当量直径、薄壁厚度、截面面积、截面惯量以及惯性半径；步骤三、计算薄壁圆筒的临界失稳载荷。本申请涉及参数精简，依据薄壁圆筒的材质和几何尺寸，计算给出其临界失稳载荷，就可以通过主动限制其承载水平，避免失稳破坏现象的产生；算法效率高，条理清晰，步骤简约，可快速得出临界失稳载荷；可解决无偏心和有偏心受载情况，适用范围广泛，可普遍应用于民用、军用薄壁圆筒结构强度设计和稳定性安全校核。

Description

一种薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法
技术领域
本申请属于结构强度设计领域，特别涉及一种薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法。
背景技术
薄壁圆筒是一种常见的结构形式，特别是作为容器和管道，它具有材料省、重量轻的优点。但是，由于壁厚较小，当其承受轴向压缩载荷时，比较容易产生失稳现象，进而导致整个圆筒的褶皱、破裂，丧失其原有的使用功能。因此，需要一种算法，依据薄壁圆筒的材质和几何尺寸，计算给出其临界失稳载荷，就可以通过主动限制其承载水平低于临界失稳载荷，从而避免失稳破坏现象的产生。
现有技术采用纯粹有限元模型(壳元或膜元假设)，计算精度依赖模型网格划分合理性，结果分散性较大；或采用工程算法，用厚壁逼近的解决措施，计算结果与实际失稳载荷偏离较大。
因此，希望有一种技术方案来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
发明内容
本申请的目的是提供了一种薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法，以解决现有技术存在的至少一个问题。
本申请的技术方案是：
一种薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法，包括：
步骤一、获取薄壁圆筒的特性参数，所述特性参数包括薄壁圆筒材料的杨氏模量，薄壁圆筒的长度、外径以及内径；
步骤二、根据所述特性参数计算薄壁圆筒的当量直径、薄壁厚度、截面面积、截面惯量以及惯性半径：
Figure BDA0002796278450000021
其中，Φ为当量直径，δ为薄壁厚度，A为截面面积，J为截面惯量，i为惯性半径，D为薄壁圆筒的外径，d为薄壁圆筒的内径；
步骤三、计算薄壁圆筒的临界失稳载荷：
Figure BDA0002796278450000022
其中，偏心效应系数k为：
Figure BDA0002796278450000023
其中，Fcr为薄壁圆筒的临界失稳载荷，E为薄壁圆筒材料的杨氏模量，L为薄壁圆筒的长度，Φ为当量直径，δ为薄壁厚度，A为截面面积，J为截面惯量，i为惯性半径，k为偏心效应系数，e为载荷偏心距。
可选地，所述薄壁圆筒为铝质液罐。
发明至少存在以下有益技术效果：
本申请的薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法，可解决无偏心和有偏心受载情况，适用范围广泛，可普遍应用于民用、军用薄壁圆筒结构强度设计和稳定性安全校核。
附图说明
图1是本申请一个实施方式的薄壁圆筒结构示意图；
图2是本申请一个实施方式的薄壁圆筒结构失稳状态示意图。
具体实施方式
为使本申请实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。下面结合附图对本申请的实施例进行详细说明。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请保护范围的限制。
下面结合附图1至图2对本申请做进一步详细说明。
本申请提供了一种薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法，包括以下步骤：
步骤一、获取薄壁圆筒的特性参数，特性参数包括薄壁圆筒材料的杨氏模量，薄壁圆筒的长度、外径以及内径；
步骤二、根据特性参数计算薄壁圆筒的当量直径、薄壁厚度、截面面积、截面惯量以及惯性半径：
Figure BDA0002796278450000031
其中，Φ为当量直径，δ为薄壁厚度，A为截面面积，J为截面惯量，i为惯性半径，D为薄壁圆筒的外径，d为薄壁圆筒的内径；
步骤三、计算薄壁圆筒的临界失稳载荷：
Figure BDA0002796278450000032
其中，偏心效应系数k为：
Figure BDA0002796278450000041
其中，Fcr为薄壁圆筒的临界失稳载荷，E为薄壁圆筒材料的杨氏模量，L为薄壁圆筒的长度，Φ为当量直径，δ为薄壁厚度，A为截面面积，J为截面惯量，i为惯性半径，k为偏心效应系数，e为载荷偏心距。
在本申请的一个实施方式中，薄壁圆筒结构为某铝质液罐，忽略该罐容纳液体以及内压的影响，当承受沿轴线方向压缩载荷时计算其临界失稳载荷，此时载荷偏心距e为0。
首先，获得液罐薄壁圆筒的材料特性参数以及几何特性参数，包括材料的杨氏模量E，薄壁圆筒的长度L、外径D以及内径d，分别为：
Figure BDA0002796278450000042
其次，根据上述特性参数计算液罐薄壁圆筒的当量直径Φ，薄壁厚度δ，截面面积A，截面惯量J，惯性半径i，其算式如下：
Figure BDA0002796278450000043
最后，确定液罐薄壁圆筒的临界失稳载荷：
由于液罐受载合力与其轴线的偏心距e＝0，偏心效应系数k为：
Figure BDA0002796278450000044
液罐薄壁圆筒的临界失稳载荷，其算式如下：
Figure BDA0002796278450000045
其中，Fcr为液罐薄壁圆筒的临界失稳载荷，单位为N；E为液罐薄壁圆筒材料的杨氏模量，单位为N/m2；L为液罐薄壁圆筒的长度，单位为m；Φ为当量直径，单位为m；δ为薄壁厚度，单位为m；A为截面面积，单位为m2；J为截面惯量，单位为m4；i为惯性半径，单位为m；D为液罐薄壁圆筒的外径，单位为m；d为液罐薄壁圆筒的内径，单位为m；e为载荷偏心距，单位为m。
本申请的薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法，涉及参数精简，依据薄壁圆筒的材质和几何尺寸，计算给出其临界失稳载荷，就可以通过主动限制其承载水平，避免失稳破坏现象的产生；算法效率高，条理清晰，步骤简约，可快速得出临界失稳载荷；可解决无偏心和有偏心受载情况，适用范围广泛，可普遍应用于民用、军用薄壁圆筒结构强度设计和稳定性安全校核。
以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法，其特征在于，包括：
步骤一、获取薄壁圆筒的特性参数，所述特性参数包括薄壁圆筒材料的杨氏模量，薄壁圆筒的长度、外径以及内径；
步骤二、根据所述特性参数计算薄壁圆筒的当量直径、薄壁厚度、截面面积、截面惯量以及惯性半径：
Figure FDA0002796278440000011
其中，Φ为当量直径，δ为薄壁厚度，A为截面面积，J为截面惯量，i为惯性半径，D为薄壁圆筒的外径，d为薄壁圆筒的内径；
步骤三、计算薄壁圆筒的临界失稳载荷：
Figure FDA0002796278440000012
其中，偏心效应系数k为：
Figure FDA0002796278440000013
其中，Fcr为薄壁圆筒的临界失稳载荷，E为薄壁圆筒材料的杨氏模量，L为薄壁圆筒的长度，Φ为当量直径，δ为薄壁厚度，A为截面面积，J为截面惯量，i为惯性半径，k为偏心效应系数，e为载荷偏心距。
2.根据权利要求1所述的薄壁圆筒的临界失稳载荷计算方法，其特征在于，所述薄壁圆筒为铝质液罐。
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薄壁外压容器临界失稳强度可靠度的研究;吴元祥等;《湖北工业大学学报》;20090215(第01期);全文 *

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