預緊力作用下的薄壁結構屈曲穩(wěn)定性分析
發(fā)布時間：2021-02-25 22:43
本文以某彈性加載系統(tǒng)中的薄壁結構為分析對象,通過理論分析及有限元仿真相結合的方式計算薄壁結構受壓狀態(tài)下的屈曲失穩(wěn)臨界載荷,有限元仿真結果與理論解析計算基本一致。在屈曲分析的基礎上計算薄壁結構兩側的最小預緊力,通過有限元仿真進一步驗證了預緊力對屈曲穩(wěn)定性的影響。仿真結果表明,預緊后的薄壁結構承載能力明顯提高,證明了預緊方案及最小預緊力計算方法的正確性,屈曲分析計算及預緊方案在工程應用上具有實用性及借鑒意義。
【文章來源】：計量與測試技術. 2019,46(06)
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
彈性加載系統(tǒng)中的薄壁結構應用現(xiàn)場取薄壁結構參與變形的有效尺寸長度L=
并聯(lián)布置，取單片薄壁結構為研究對象，BB'處與AA'處固定，OO'處裝有支撐軸承及軸承座，該薄壁結構在正常工作狀態(tài)下厚度h方向為彈性支撐，長度L方向為剛性支撐。圖1彈性加載系統(tǒng)中的薄壁結構應用現(xiàn)場取薄壁結構參與變形的有效尺寸長度L=436mm，寬度b=100mm，厚度h=2mm。薄壁結構厚度及寬度方向受載較小，在本文中不考慮。OO'截面法向(長度方向)受到較大的加載力Fo(圖2a)，工作中按預定載荷譜施加。對于BB'側表現(xiàn)為受拉，AA'側表現(xiàn)為受壓(圖2b)。圖2薄壁結構兩側固定工裝狀態(tài)薄壁結構的受壓側(OO－AA')容易引起屈曲失穩(wěn)，從而導致該側結構突然失去承載能力。在脈動加載工況下，拉伸側(BB'－OO')反復承受突變的拉應力，容易引發(fā)結構疲勞及設備沖擊振動，這對于測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度及設備穩(wěn)定性影響較大。在設計階段對薄壁結構進行屈曲穩(wěn)定性分析計算，一般能及時發(fā)現(xiàn)并解決這一問題。(2)臨界彎曲載荷計算以薄壁結構受壓側為分析對象，受力分析如圖2(b)所示，應用等截面均勻小變形壓桿穩(wěn)定性Eul-er公式，求受壓側彈性臨界彎曲載荷:Fc=π2EI(μl)2(3)式中:E—材料彈性模量，Pa;I—截面慣性矩，mm4;μ—長度因數(shù)，取值如表1所示;l—長度，mm。表1長度因數(shù)約束條件長度因數(shù)μ兩端鉸支=1兩端固定=0.5一端固定、另一端自由=2一端固定、另一端鉸支≈0.7如圖2b所示，分析模型一端固定，一端自由，取μ=2，結合取值E=205Gpa，I=bh3/12和l=L/2，代入式(3)得受壓側臨界彎曲載荷:Fc=π2×205×109?
睪紗?715N時，結構在厚度方向扭動，打破原有的平衡狀態(tài)，發(fā)生穩(wěn)定性失效。若繼續(xù)加大外載荷達6463N時，第1階平衡狀態(tài)被打破，跳到另一個平衡狀態(tài)，屈曲位移云圖如圖3b所示，結構在厚度方向扭動加劇，結構承載能力急劇下降。2薄壁結構預緊力計算及屈曲分析驗證2.1最小預緊力計算為了提高薄壁結構的承載能力，根據(jù)彈性加載系統(tǒng)的工況需要，在薄壁結構兩側通過張緊機構施加預緊拉力Fb和Fa(Fb=Fa)(見圖4a)，此時仍取受壓側作為分析對象，受力分析如圖4b所示。圖4薄壁結構預緊工作狀態(tài)假設受壓側在某時刻即將引起第1階屈曲失穩(wěn)，此時受壓側壓力Fo/2、預緊力Fa與第1階臨界彎曲載荷Fc三者滿足以下關系:Fc=Fo/2－Fa(6)該彈性加載系統(tǒng)的最大加載力Fmax=6.25kN，代入式(6)計算得受壓側即將發(fā)生第1階屈曲失穩(wěn)所需的最小預緊力:Fa=Fmax/2－Fc=6.25/2kN－0.715kN=2.41kN(7)2.2屈曲分析驗證為了進一步驗證預緊力對薄壁結構屈曲穩(wěn)定性的影響，也進一步驗證上文對薄壁結構預緊力解析計算的正確性，應用ANSYS有限元分析軟件對預緊力作用下的薄壁結構進行屈曲分析。仍取薄壁結構受壓側作為分析對象，設置邊界條件，最小預緊力2.41kN，加載力Fo/2=Fmax/2=3.125kN。導出前4階屈曲位移云圖(圖5)，按式5計算得到前4階臨界載荷(表3)。圖5預緊狀態(tài)前4階屈曲位移云圖表3預緊狀態(tài)前4階臨界彎曲載荷階數(shù)1階2階3階4階臨界載荷/kN3.2128.9881.41107.76由圖5及表3可知，添加最小預緊力后，薄壁結構受壓側前4
【參考文獻】：
期刊論文
[1]某乘用車后背門屈曲穩(wěn)定性分析及優(yōu)化[J]. 劉俊紅,劉丹,袁夏麗. 汽車實用技術. 2019(03)
[2]薄壁型方管立柱局部穩(wěn)定性分析[J]. 何帆,于家洋,田常錄. 機械制造與自動化. 2018(04)
[3]薄壁硬殼式圓筒結構的屈曲分析[J]. 王驍峰,段毅,袁銳之. 兵器裝備工程學報. 2018(07)
[4]矩形薄板屈曲分析的高階有限條傳遞矩陣法[J]. 葛威延,何斌,安逸,劉冬梅. 應用力學學報. 2018(03)
[5]張力下的板形屈曲臨界載荷和寬度分析[J]. 戴杰濤,李烈軍,戴文笠,張祖江. 華南理工大學學報(自然科學版). 2015(09)
[6]薄壁箱型結構仿真與實驗穩(wěn)定性分析[J]. 陳玉振,陳亞峰. 電子機械工程. 2013(05)
[7]基于ANSYS Workbench變截面壓桿屈曲分析方法[J]. 閔加豐,闞偉良,朱海清. 鍛壓裝備與制造技術. 2012(04)
本文編號：3051688
【文章來源】：計量與測試技術. 2019,46(06)
【文章頁數(shù)】：4 頁
【部分圖文】：
彈性加載系統(tǒng)中的薄壁結構應用現(xiàn)場取薄壁結構參與變形的有效尺寸長度L=
并聯(lián)布置，取單片薄壁結構為研究對象，BB'處與AA'處固定，OO'處裝有支撐軸承及軸承座，該薄壁結構在正常工作狀態(tài)下厚度h方向為彈性支撐，長度L方向為剛性支撐。圖1彈性加載系統(tǒng)中的薄壁結構應用現(xiàn)場取薄壁結構參與變形的有效尺寸長度L=436mm，寬度b=100mm，厚度h=2mm。薄壁結構厚度及寬度方向受載較小，在本文中不考慮。OO'截面法向(長度方向)受到較大的加載力Fo(圖2a)，工作中按預定載荷譜施加。對于BB'側表現(xiàn)為受拉，AA'側表現(xiàn)為受壓(圖2b)。圖2薄壁結構兩側固定工裝狀態(tài)薄壁結構的受壓側(OO－AA')容易引起屈曲失穩(wěn)，從而導致該側結構突然失去承載能力。在脈動加載工況下，拉伸側(BB'－OO')反復承受突變的拉應力，容易引發(fā)結構疲勞及設備沖擊振動，這對于測控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集精度及設備穩(wěn)定性影響較大。在設計階段對薄壁結構進行屈曲穩(wěn)定性分析計算，一般能及時發(fā)現(xiàn)并解決這一問題。(2)臨界彎曲載荷計算以薄壁結構受壓側為分析對象，受力分析如圖2(b)所示，應用等截面均勻小變形壓桿穩(wěn)定性Eul-er公式，求受壓側彈性臨界彎曲載荷:Fc=π2EI(μl)2(3)式中:E—材料彈性模量，Pa;I—截面慣性矩，mm4;μ—長度因數(shù)，取值如表1所示;l—長度，mm。表1長度因數(shù)約束條件長度因數(shù)μ兩端鉸支=1兩端固定=0.5一端固定、另一端自由=2一端固定、另一端鉸支≈0.7如圖2b所示，分析模型一端固定，一端自由，取μ=2，結合取值E=205Gpa，I=bh3/12和l=L/2，代入式(3)得受壓側臨界彎曲載荷:Fc=π2×205×109?
睪紗?715N時，結構在厚度方向扭動，打破原有的平衡狀態(tài)，發(fā)生穩(wěn)定性失效。若繼續(xù)加大外載荷達6463N時，第1階平衡狀態(tài)被打破，跳到另一個平衡狀態(tài)，屈曲位移云圖如圖3b所示，結構在厚度方向扭動加劇，結構承載能力急劇下降。2薄壁結構預緊力計算及屈曲分析驗證2.1最小預緊力計算為了提高薄壁結構的承載能力，根據(jù)彈性加載系統(tǒng)的工況需要，在薄壁結構兩側通過張緊機構施加預緊拉力Fb和Fa(Fb=Fa)(見圖4a)，此時仍取受壓側作為分析對象，受力分析如圖4b所示。圖4薄壁結構預緊工作狀態(tài)假設受壓側在某時刻即將引起第1階屈曲失穩(wěn)，此時受壓側壓力Fo/2、預緊力Fa與第1階臨界彎曲載荷Fc三者滿足以下關系:Fc=Fo/2－Fa(6)該彈性加載系統(tǒng)的最大加載力Fmax=6.25kN，代入式(6)計算得受壓側即將發(fā)生第1階屈曲失穩(wěn)所需的最小預緊力:Fa=Fmax/2－Fc=6.25/2kN－0.715kN=2.41kN(7)2.2屈曲分析驗證為了進一步驗證預緊力對薄壁結構屈曲穩(wěn)定性的影響，也進一步驗證上文對薄壁結構預緊力解析計算的正確性，應用ANSYS有限元分析軟件對預緊力作用下的薄壁結構進行屈曲分析。仍取薄壁結構受壓側作為分析對象，設置邊界條件，最小預緊力2.41kN，加載力Fo/2=Fmax/2=3.125kN。導出前4階屈曲位移云圖(圖5)，按式5計算得到前4階臨界載荷(表3)。圖5預緊狀態(tài)前4階屈曲位移云圖表3預緊狀態(tài)前4階臨界彎曲載荷階數(shù)1階2階3階4階臨界載荷/kN3.2128.9881.41107.76由圖5及表3可知，添加最小預緊力后，薄壁結構受壓側前4
【參考文獻】：
期刊論文
[1]某乘用車后背門屈曲穩(wěn)定性分析及優(yōu)化[J]. 劉俊紅,劉丹,袁夏麗. 汽車實用技術. 2019(03)
[2]薄壁型方管立柱局部穩(wěn)定性分析[J]. 何帆,于家洋,田常錄. 機械制造與自動化. 2018(04)
[3]薄壁硬殼式圓筒結構的屈曲分析[J]. 王驍峰,段毅,袁銳之. 兵器裝備工程學報. 2018(07)
[4]矩形薄板屈曲分析的高階有限條傳遞矩陣法[J]. 葛威延,何斌,安逸,劉冬梅. 應用力學學報. 2018(03)
[5]張力下的板形屈曲臨界載荷和寬度分析[J]. 戴杰濤,李烈軍,戴文笠,張祖江. 華南理工大學學報(自然科學版). 2015(09)
[6]薄壁箱型結構仿真與實驗穩(wěn)定性分析[J]. 陳玉振,陳亞峰. 電子機械工程. 2013(05)
[7]基于ANSYS Workbench變截面壓桿屈曲分析方法[J]. 閔加豐,闞偉良,朱海清. 鍛壓裝備與制造技術. 2012(04)
本文編號：3051688
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