基于ANSYS的外压容器稳定性分析
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基 于 Ａ Ｓ Ｓ的外压容器稳 定性分析 ＮＹ
张 宗 尧 ，赵 石 军
所 谓 压 力 容 器 的 失稳 是 指 当 容 器 所 承 受 的 载
值 屈 曲分 析 经 常得 出非 保 守结 果 ［７ ６】 非线 性 稳 ＿，而 定 分析 的模 型则 能 包 含 这 些 特征 。而 且 研究 发 现 ，
提 高结 构 的 抗 失稳 能 力 。 由于 大 型 外 压 容 器 的周 向失 稳 往 往 发 生 在 强 度 破 坏 之 前 ，所 以外 压 容 器
际工 程应 用 中对 大 型外 压容 器 的稳定 性 分析应 该 使
用非 线性 稳 定分 析 。
的稳定 性 是设 计 时应 主要考 虑 的问题 之一 ［２ １１ －，或 者说 外 压 容 器壳 体 的 壁 厚 往 往 是 由外 压 稳 定 性 计 算 来 确 定 的 。 由于外 压 容 器 很 难 进 行 外 压 压 力 试 验 ，直 接 考 核 大 型外 压 容 器 承 受 外 压 时 的稳 定 性
行 屈 曲稳 定 分 析 ，以确 定 其 失 稳 临 界 载 荷 ，但 对
工 程 上 一 些 复 杂 的外 压 容 器 却 难 以进 行 屈 曲稳 定
１ 外压 容 器 稳 定 性 分 析 的 方 法
外 压 容器 稳定 性 分析 的 方法有 特 征值 屈 曲和非 线 性 屈 曲 分析 两 种 ，特征 值 屈 曲分 析 是非 保 守 的 ， 使 用 时应谨 慎 ，其 优 点是 分 析起来 比较快捷 。为 了
蠹鬣构 Ｍ ， 端 以 持 形 面 状 为 约 环 篱藿的 Ｐ 两 可 保 原 截 形 ， 此 束 向 ａ
位移 ，此外简体一端约束轴向位移 。随后 ，着手进 行特征值屈 曲分析 （ 见图 ３ 。 ）
图 １ 载 荷 与 位 移对 应 曲线
分析 结 果
失 稳时 的 圆周方 向波数 为 ３ ，特征
ｙ ． ＠ｅｈ ｏｏ ｚ ｓ ｆＬ ｍ ｊ ￣ＦＨＩ ３
一
重 技商
曲的载荷与位移对 比曲线相比较。可以看出 ，非线 性屈 曲分析更符合实际工程 （ 见图 １。 ）
来自百度文库
在简体外表面施加外压力； 完成有限元模型 （ ２ 。 见图 ）
３ 有 限元屈 曲分析过程 与结果
线性 值屈
３１ 特征值 屈 曲分析过 程与 结果 ． 理想载衙路径 确 定 载 荷 条 件 施 加 在 圆 筒 外 表 面 的压 力 １
外压 容器 通 过有 限 元非 线性 分析 对得 出的 Ｉ 临界失 稳 压力 和 实 际结 果有 比较 好 的一 致 性 ｊ 。因此 在 实
荷 超 过某 一 临 界 值 时 突 然 失 去 原 有 几 何 形 状 的现 象 。研 究 外 压 容 器 的 稳 定 性 目的在 于 确 定 容 器 的 临界 载荷 及 其 相应 的失 稳模 态 ，以改进 加 强 措 施 ，
是 不 现 实 的 ， 因此 大 型外 压容 器 的稳 定 性 计 算
本 文 以 圆筒 中径 Ｄ＝ ０ Ｉ２０ｍｍ，壁 厚 ｔ１ ｍ， ＝ ０ｍ 计 算 长 度 为 ６００ｍ ０ ｍ，材 料 弹 性 模 量 Ｅ＝ ． ５ ２０ Ｅ ＭＰ ，泊 松 比 ／ ０３的外 压 容 器 为 例 ，利 用 非 线 性 ａ ｘ ． ＝
提 供更 真 实 的结果 ，屈 曲模 态 形状 可 用作 非线 性屈
分 析 。 目前 最 常 见 的分 析 方 法 是 利 用 有 限 元 法 来
分 析结 构屈 服 载荷 ［ ］ 由于在 很 多实 际结 构 中往 ５。 － ６
往 存 在 初 始 缺 陷 、 间 隙和 非 线 性 等 特 征 ，按 特 征
。载荷因子
值屈 曲计算 所得 临界压力 为 ０ ３ ａ 观 图４ 。 ．３ ８ ＭＰ ）
２ 结构有 限元模 型
２ １ 建模 时应 注意 的问题 ．
－位移边界 － 力边界
外 压 容器 的失 稳 分 析 非 常关 键 的
一
个 问题是 确 定 分 析 区域 并 建 立有 限
－Ｊ何模型 Ｌ 一材料模型 ・有限元模型 一特征值屈曲 －模态提取方法 一模态扩展 ｉ特征值屈 曲计算 ｉ ｉ
元 模 型 。根 据 容 器 是 否存 在 加 强构 件 来 确 定 外压 计 算 长度 ，计 算 长度 的确 定 可 参 照 Ｇ １０或 Ｊ４ ３ Ｂ５ Ｂ ７ ２的 相 关 规
图 ３ 特 征 值 屈 曲分 析 过程
定 。建 模 时 ，还 要 考 虑 是 否 可 以 利用 结 构 的对 称 性 。一般 而言失 稳是 一种从对 称状 态转 变为非对 称
状态 的变形 突变 过程 ，应用 结构对 称性 时应根 据结
构及 载荷特 点分 析并判 断对 称处理 是否影 响失 稳变
形 的突变特 性 。对于 对称结 构施加 对称 载荷 ，通常
可以施加干扰力以便在进行非线性分析时得到屈曲 解 ，干扰力需要根据屈曲模态施加在相应 的位置 上 。另一种做法是根据特征值分析所得 的屈 曲模 态 ，将对应失稳模态的变形乘以一个很小的系数 ， 使结 构具有 初始缺 陷而不再是 对称结构 ，以便』 顺利求 得非线 Ｉ 生屈曲解 。
曲分析 的初始 几何 缺 陷 。将 特 征值 屈 曲与 非线 性屈
１一重集 团大连设计研究院有限公司助理工程师 ，辽宁 ． ２ 一重集 团大连设计研究院有限公司高级工程师 ，辽宁 ．
大连 大连
１６ ０ １ ６０ １６ ０ １ ６０
工
２ｏ ２（１期 ＃ ｏ年第 期总３ ） ２ ！ １
屈 曲分析 方 法研 究外 压 容器 的 临界失 稳压 力 ，为 提
高其 安全 性 和结 构设 计合 理 性提 供依 据 。
往 往 多 采 用 理 论 或 有 限元 分 析 方 法 。对 外 压 容 器
进行屈曲稳定分析 的理论研究 由来 已久 …，而且 应 用 弹 性 稳 定 理 论 可 以对 一 些 简单 的外 压 容 器 进
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基 于 Ａ Ｓ Ｓ的外压容器稳 定性分析 ＮＹ
张 宗 尧 ，赵 石 军
所 谓 压 力 容 器 的 失稳 是 指 当 容 器 所 承 受 的 载
值 屈 曲分 析 经 常得 出非 保 守结 果 ［７ ６】 非线 性 稳 ＿，而 定 分析 的模 型则 能 包 含 这 些 特征 。而 且 研究 发 现 ，
提 高结 构 的 抗 失稳 能 力 。 由于 大 型 外 压 容 器 的周 向失 稳 往 往 发 生 在 强 度 破 坏 之 前 ，所 以外 压 容 器
际工 程应 用 中对 大 型外 压容 器 的稳定 性 分析应 该 使
用非 线性 稳 定分 析 。
的稳定 性 是设 计 时应 主要考 虑 的问题 之一 ［２ １１ －，或 者说 外 压 容 器壳 体 的 壁 厚 往 往 是 由外 压 稳 定 性 计 算 来 确 定 的 。 由于外 压 容 器 很 难 进 行 外 压 压 力 试 验 ，直 接 考 核 大 型外 压 容 器 承 受 外 压 时 的稳 定 性
行 屈 曲稳 定 分 析 ，以确 定 其 失 稳 临 界 载 荷 ，但 对
工 程 上 一 些 复 杂 的外 压 容 器 却 难 以进 行 屈 曲稳 定
１ 外压 容 器 稳 定 性 分 析 的 方 法
外 压 容器 稳定 性 分析 的 方法有 特 征值 屈 曲和非 线 性 屈 曲 分析 两 种 ，特征 值 屈 曲分 析 是非 保 守 的 ， 使 用 时应谨 慎 ，其 优 点是 分 析起来 比较快捷 。为 了
蠹鬣构 Ｍ ， 端 以 持 形 面 状 为 约 环 篱藿的 Ｐ 两 可 保 原 截 形 ， 此 束 向 ａ
位移 ，此外简体一端约束轴向位移 。随后 ，着手进 行特征值屈 曲分析 （ 见图 ３ 。 ）
图 １ 载 荷 与 位 移对 应 曲线
分析 结 果
失 稳时 的 圆周方 向波数 为 ３ ，特征
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一
重 技商
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在简体外表面施加外压力； 完成有限元模型 （ ２ 。 见图 ）
３ 有 限元屈 曲分析过程 与结果
线性 值屈
３１ 特征值 屈 曲分析过 程与 结果 ． 理想载衙路径 确 定 载 荷 条 件 施 加 在 圆 筒 外 表 面 的压 力 １
外压 容器 通 过有 限 元非 线性 分析 对得 出的 Ｉ 临界失 稳 压力 和 实 际结 果有 比较 好 的一 致 性 ｊ 。因此 在 实
荷 超 过某 一 临 界 值 时 突 然 失 去 原 有 几 何 形 状 的现 象 。研 究 外 压 容 器 的 稳 定 性 目的在 于 确 定 容 器 的 临界 载荷 及 其 相应 的失 稳模 态 ，以改进 加 强 措 施 ，
是 不 现 实 的 ， 因此 大 型外 压容 器 的稳 定 性 计 算
本 文 以 圆筒 中径 Ｄ＝ ０ Ｉ２０ｍｍ，壁 厚 ｔ１ ｍ， ＝ ０ｍ 计 算 长 度 为 ６００ｍ ０ ｍ，材 料 弹 性 模 量 Ｅ＝ ． ５ ２０ Ｅ ＭＰ ，泊 松 比 ／ ０３的外 压 容 器 为 例 ，利 用 非 线 性 ａ ｘ ． ＝
提 供更 真 实 的结果 ，屈 曲模 态 形状 可 用作 非线 性屈
分 析 。 目前 最 常 见 的分 析 方 法 是 利 用 有 限 元 法 来
分 析结 构屈 服 载荷 ［ ］ 由于在 很 多实 际结 构 中往 ５。 － ６
往 存 在 初 始 缺 陷 、 间 隙和 非 线 性 等 特 征 ，按 特 征
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值屈 曲计算 所得 临界压力 为 ０ ３ ａ 观 图４ 。 ．３ ８ ＭＰ ）
２ 结构有 限元模 型
２ １ 建模 时应 注意 的问题 ．
－位移边界 － 力边界
外 压 容器 的失 稳 分 析 非 常关 键 的
一
个 问题是 确 定 分 析 区域 并 建 立有 限
－Ｊ何模型 Ｌ 一材料模型 ・有限元模型 一特征值屈曲 －模态提取方法 一模态扩展 ｉ特征值屈 曲计算 ｉ ｉ
元 模 型 。根 据 容 器 是 否存 在 加 强构 件 来 确 定 外压 计 算 长度 ，计 算 长度 的确 定 可 参 照 Ｇ １０或 Ｊ４ ３ Ｂ５ Ｂ ７ ２的 相 关 规
图 ３ 特 征 值 屈 曲分 析 过程
定 。建 模 时 ，还 要 考 虑 是 否 可 以 利用 结 构 的对 称 性 。一般 而言失 稳是 一种从对 称状 态转 变为非对 称
状态 的变形 突变 过程 ，应用 结构对 称性 时应根 据结
构及 载荷特 点分 析并判 断对 称处理 是否影 响失 稳变
形 的突变特 性 。对于 对称结 构施加 对称 载荷 ，通常
可以施加干扰力以便在进行非线性分析时得到屈曲 解 ，干扰力需要根据屈曲模态施加在相应 的位置 上 。另一种做法是根据特征值分析所得 的屈 曲模 态 ，将对应失稳模态的变形乘以一个很小的系数 ， 使结 构具有 初始缺 陷而不再是 对称结构 ，以便』 顺利求 得非线 Ｉ 生屈曲解 。
曲分析 的初始 几何 缺 陷 。将 特 征值 屈 曲与 非线 性屈
１一重集 团大连设计研究院有限公司助理工程师 ，辽宁 ． ２ 一重集 团大连设计研究院有限公司高级工程师 ，辽宁 ．
大连 大连
１６ ０ １ ６０ １６ ０ １ ６０
工
２ｏ ２（１期 ＃ ｏ年第 期总３ ） ２ ！ １
屈 曲分析 方 法研 究外 压 容器 的 临界失 稳压 力 ，为 提
高其 安全 性 和结 构设 计合 理 性提 供依 据 。
往 往 多 采 用 理 论 或 有 限元 分 析 方 法 。对 外 压 容 器
进行屈曲稳定分析 的理论研究 由来 已久 …，而且 应 用 弹 性 稳 定 理 论 可 以对 一 些 简单 的外 压 容 器 进