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D0I:10.13374/i.issnl00113.2009.02.022 第31卷第2期 北京科技大学学报 Vol.31 No.2 2009年2月 Journal of University of Science and Technology Beijing Feh.2009 矩形大开孔圆柱壳轴压作用下的屈曲性能 宋波吴琳孙北东 北京科技大学土木与环境工程学院，北京100083 摘要利用数值方法研究了开有矩形大开孔的薄壁圆柱壳在轴压作用下的屈曲性能·首先通过特征值屈曲分析，得到开孔 圆柱壳的一阶屈曲模态，并预测屈曲荷载的上限：其次，通过非线性分析，得到结构的荷载位移全过程响应：然后引入正交试 验设计方法，分析了矩形开口的周向角度、高度和轴向位置等几何参数对结构稳定性的影响·分析表明，矩形开孔圆柱壳临界 屈曲荷载的上限值远小于无开孔圆柱壳的下限值，影响矩形开孔圆柱壳轴压作用下稳定性的主要因素为壳体的径厚比，临界 荷载值随径厚比的增大迅速下降. 关键词薄壁圆柱壳；矩形大开孔：特征值屈曲：非线性分析：正交试验 分类号TU33+3 Buckling behavior of thin-walled cylindrical shells with large rectangular opening SONG Bo,WU Lin,SUN Bei-dong School of Civil and Environmental Engineering.University of Science and Technology Beijing.Beijing 100083.China ABSTRACI The buckling behavior of cylindrical shells with large rectangular opening was analyzed by the finite element method. Firstly,eigen value buckling was carried out to predict the buckling mode and critical load.Secondly the load-displacement response of the structure was computed with geometrically nonlinear analysis,and the orthogonal design method was adopted to discuss the in- fluence of geometric parameters on the buckling load.The considered parameters include opening width,opening height,location in the longitudinal direction.and radius"to"thickness ratio and height-to-diameter ratio of the shell.The result shows that the upper limit buckling load of a eylindrical shell with rectangular opening is much less than the lower limit value of a perfect cylindrical shell.and the buckling load of a cylindrical shell with rectangular opening is mainly dependent on the radius"to"thickness ratio of the shell.The critical load declines rapidly when the radius"to-thickness ratio of the shell increases. KEY WORDS thin-walled cylindrical shell:large rectangular opening:eigen value buckling:nonlinear analysis:orthogonal experi- ment 轴心受压的圆柱壳广泛存在于石油化工、电力、 由于有膜应力和弯曲应力双重影响，因而其最大应 核能、潜艇及输运管线等工程领域.实际使用中的 力可能超过其平均应力的几倍甚至几十倍，由此会 大型塔类结构常开有孔洞。由于孔洞的存在，壳体 大大降低结构的承载能力，对这些结构来说，屈曲失 截面尺寸受到削弱，结构的几何连续性遭到破坏，在 稳已经成为它们破坏的主要因素之一四 承受外部载荷作用时，孔口附近区域的薄膜应力将 对于壳体结构稳定性的分析方法包括试验研 大幅增加，不仅如此，由于壳体存在着曲率，这就使 究、解析方法和数值分析三种.早期对圆柱壳稳定 得开孔在影响壳体中面内变形状态的同时，还将引 性的研究得到了完善圆柱薄壳模型的屈曲方程，但 起壳体沿法向的变位，进而产生弯曲变形，这就破坏 实际结构绝大部分都非完善结构，随着现代计算技 了壳体无孔时的无矩应力状态，而造成比较大的弯 术的发展，非线性有限元方法成为复杂壳体结构分 曲应力，产生明显的应力集中现象，应力集中区域 析的主要方法[2]，周承倜对于有初始缺陷的加肋薄 收稿日期：2008-02-28 基金项目：国家自然科学基金重大研究计划资助项目(N。-90715007) 作者简介：宋波(1962-)，男，教授，博士生导师，Emal:songbo@ces-ustb.edu-cn矩形大开孔圆柱壳轴压作用下的屈曲性能 宋 波 吴 琳 孙北东 北京科技大学土木与环境工程学院北京100083 摘 要 利用数值方法研究了开有矩形大开孔的薄壁圆柱壳在轴压作用下的屈曲性能．首先通过特征值屈曲分析得到开孔 圆柱壳的一阶屈曲模态并预测屈曲荷载的上限；其次通过非线性分析得到结构的荷载位移全过程响应；然后引入正交试 验设计方法分析了矩形开口的周向角度、高度和轴向位置等几何参数对结构稳定性的影响．分析表明矩形开孔圆柱壳临界 屈曲荷载的上限值远小于无开孔圆柱壳的下限值影响矩形开孔圆柱壳轴压作用下稳定性的主要因素为壳体的径厚比临界 荷载值随径厚比的增大迅速下降． 关键词 薄壁圆柱壳；矩形大开孔；特征值屈曲；非线性分析；正交试验 分类号 TU33＋3 Buckling behavior of thin-walled cylindrical shells with large rectangular opening SONG BoW U LinSUN Be-i dong School of Civil and Environmental EngineeringUniversity of Science and Technology BeijingBeijing100083China ABSTRACT T he buckling behavior of cylindrical shells with large rectangular opening was analyzed by the finite element method． Firstlyeigen value buckling was carried out to predict the buckling mode and critical load．Secondlythe load-displacement response of the structure was computed with geometrically nonlinear analysisand the orthogonal design method was adopted to discuss the influence of geometric parameters on the buckling load．T he considered parameters include opening widthopening heightlocation in the longitudinal directionand radius-to-thickness ratio and height-to-diameter ratio of the shell．T he result shows that the upper limit buckling load of a cylindrical shell with rectangular opening is much less than the lower limit value of a perfect cylindrical shelland the buckling load of a cylindrical shell with rectangular opening is mainly dependent on the radius-to-thickness ratio of the shell．T he critical load declines rapidly when the radius-to-thickness ratio of the shell increases． KEY WORDS thin-walled cylindrical shell；large rectangular opening；eigen value buckling；nonlinear analysis；orthogonal exper-i ment 收稿日期：2008-02-28 基金项目：国家自然科学基金重大研究计划资助项目（No．90715007） 作者简介：宋 波（1962—）男教授博士生导师E-mail：songbo＠ces．ustb．edu．cn 轴心受压的圆柱壳广泛存在于石油化工、电力、 核能、潜艇及输运管线等工程领域．实际使用中的 大型塔类结构常开有孔洞．由于孔洞的存在壳体 截面尺寸受到削弱结构的几何连续性遭到破坏在 承受外部载荷作用时孔口附近区域的薄膜应力将 大幅增加．不仅如此由于壳体存在着曲率这就使 得开孔在影响壳体中面内变形状态的同时还将引 起壳体沿法向的变位进而产生弯曲变形这就破坏 了壳体无孔时的无矩应力状态而造成比较大的弯 曲应力产生明显的应力集中现象．应力集中区域 由于有膜应力和弯曲应力双重影响因而其最大应 力可能超过其平均应力的几倍甚至几十倍由此会 大大降低结构的承载能力对这些结构来说屈曲失 稳已经成为它们破坏的主要因素之一［1］． 对于壳体结构稳定性的分析方法包括试验研 究、解析方法和数值分析三种．早期对圆柱壳稳定 性的研究得到了完善圆柱薄壳模型的屈曲方程但 实际结构绝大部分都非完善结构．随着现代计算技 术的发展非线性有限元方法成为复杂壳体结构分 析的主要方法［2］．周承倜对于有初始缺陷的加肋薄 第31卷 第2期 2009年 2月 北 京 科 技 大 学 学 报 Journal of University of Science and Technology Beijing Vol．31No．2 Feb．2009 DOI:10．13374／j．issn1001－053x．2009．02．022