轴压作用下充液圆柱壳的屈曲的实验研究毕业论文Word文件下载.docx
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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。
利用LS—DYNA作为求解器，FEMB为前后处理系统，在HP—C360工作站上完成了充满液体的弹塑性圆柱壳冲击屈曲的数值模拟，给出了屈曲过程的动画显示，得到的屈曲模态以及液体内压和总撞击力的时程曲线与实验结果表现出很好的一致性。
通过调整壳的几何、物理参数和冲击参数，数值模拟给出了一些可用于指导工程设计的重要结果。
1.2屈曲分类
一般说来，结构失稳后的承载能力有时可以增加，有时则减小。
这与载荷类型、结构的几何特征等因素有关。
这一现象说明：
根据屈曲分析得到屈曲载荷并不总是与体系的承载能力相联系，之所以产生这种不一致，关键在于体系后屈曲平衡状态并不总是稳定的。
要了解分析其原因就必须对结构的后屈曲性态作深入的研究。
结构丧失稳定时，伴随着翘曲或褶皱发生，这种变形性质的显著变化称为屈曲[16]。
屈曲（buckling）：
当结构所受载荷达到某临界状态时，若增加一个微小增量，则结构的平衡位形将发生很大的改变，而这种变化并不是由于材料破坏或软化造成的，则称为结构的屈曲。
后屈曲：
当结构的一种变形形态变得不稳定，而去寻找另一种稳定的变形形态，这种进一步的屈曲现象称为后屈曲（postbuckling）。
当代屈曲问题研究重点已更多地从弹性到塑性，由静力屈曲问题转到动力屈曲问题，在屈曲问题的各个方面都取得了长足发展。
大体上说，结构的屈曲问题按照不同的方式可以分为以下几种不同的类型：
根据结构的承载能力，可将屈曲分为静力屈曲和动力屈曲。
静力屈曲：
指结构在静态外载作用下发生的屈曲。
动力屈曲：
指结构在动态荷载作用下发生的屈曲，例如
（1）轴向冲击荷载引起的杆或圆柱壳的屈曲，横向冲击载荷引起的浅拱或扁球壳的跳跃；
（2）周期外力引起的参数共振；
（3）回转力引起的轴的晃动等，这些荷载都是随时间变化的动态荷载；
（4）结构在随动荷作用下引起的屈曲。
所谓随动载荷是指其值保持不变却随着结构变形而改变其方向的荷载。
之所以将这类问题也归入动力屈曲中，是因为对这类非保守力，即使是研究系统的平衡稳定性，也必须从动力学观点来讨论。
按结构屈曲时的材料性质，可将屈曲分为弹性屈曲、塑性屈曲和弹塑性屈曲。
弹性屈曲：
结构屈曲前后仍在小变形假定的范围内处于弹性状态时，称之为弹性屈曲。
塑性屈曲:
结构在塑性应力状态下发生屈曲时，称之为塑性屈曲。
弹塑性屈曲：
介于弹性屈曲和塑性屈曲之间的一种屈曲形式，屈曲前结构处于弹性应力状态，而屈曲时由于扰动变形使一部分材料进入塑性，及屈曲发生后材料处于弹塑性应力状态。
由于上述三种屈曲现象中材料性呈现出本质的差别，因此，整个屈曲过程也表现出各自不同的一些特点。
通常人们研究较大的是弹性屈曲和塑性屈曲，对于弹塑性屈曲则很少有人问津，主要原因是因为弹塑性交界处材料性质的变化使理论分析变得十分困难。
沿袭静力屈曲中已有的实验结果及方法，按屈曲的性质，可将屈曲分为极值屈曲、分叉屈曲和非完善结构的屈曲三类。
极值屈曲：
指当载荷超过某个临界值时，位移有突然的变化。
例如弹塑性梁柱、圆柱壳一侧受冲击、浅拱和浅球冠等在静载作用下发生跳跃屈曲（snapthroughbuckling）的那类结构。
分叉屈曲：
指基本运动在某种状态时（对应于分叉点）变得不唯一或不稳定。
非完善结构的屈曲：
指含初缺陷结构的屈曲，在某些情况下，带缺陷的壳体的屈曲荷载大大低于完善壳体的分叉点载荷。
按屈曲后路径是否稳定，可分为具有稳定后屈曲路径的屈曲，具有不稳定后屈曲路径的屈曲和同时具有稳定及不稳定后屈曲路径的屈曲。
具有稳定后屈曲路径的屈曲：
指屈曲发生后载荷仍可继续增长（如柱、板、无支撑框架等）。
具有不稳定后屈曲路径的屈曲：
值屈曲发生后载荷呈现出下降趋势（如轴向受压圆柱壳、球壳等）。
具有稳定及不稳定后屈曲路径的屈曲：
屈曲发生后，同时具有上述两个特点的屈曲（如简单桁架、两杆刚架等）。
根据外力与时间的关系，可将屈曲分为自治系统的屈曲和非自治系统的屈曲。
自治系统的屈曲：
指外力不依赖于时间时发生的屈曲，其中除有势系统和似保守系统的屈曲问题可以用静态方法来研究而不必归入动态屈曲问题外，其他各系统的问题都属于动态问题。
非自治系统的屈曲：
即外力显性的依赖于时间时发生的屈曲，这是动态屈曲问题要研究的重点。
本实验主要通过对不同规格的充液金属圆柱壳做轴向压缩，研究其变形规律：
屈曲开始出现的位置，以后波纹的发展状态，后屈曲状态载荷变化。
通过大量系列研究得出金属圆柱壳的屈曲性能，并和前人实验做对比研究，进一步证实金属圆柱壳的弹塑性失稳问题。
2充液金属圆柱壳的实验研究
2.1实验仪器
名称：
电子多功能试验机
型号：
CMT5105A
规格：
100KN
精度等级：
0.5
仪器介绍：
试验仪器主要由试验机、控制机和连接在试验上的计算机三部分组成。
如图2.1。
图2.1
工作时，先接通三部分电源，开计算机，控制机，把实验机开关调到水平位置。
然后打开控制软件，联机，打开控制开关，设备就可以正常工作了。
计算机的控制软件可以控制试验机的运行速度，运行方向。
由于试验机庞大而昂贵，所以在注意安全的同时，必须仔细操作机器，保证不被损坏。
另外仪器上有四处保护开关，关闭其中的任何一个，试验机即停止运作，因此需要正常工作时，必须保证所有开关开启，否则实验不能进行。
从连接的计算机上可以得到载荷位移曲线。
2.2实验介绍
本实验由七组来完成，所采用的圆柱壳为不同径向比的不锈钢制和铝合金材料。
具体数据用游标卡尺测出，表2.1。
试件开始时，在圆柱壳试件内预先充满水，在圆柱壳顶端垫一层薄橡胶膜保证其密封，如图2.2。
调整试件位置，以保证其处于压头的中心位置。
调节压头位置使其接触试件如图2.2。
设置参数，曲线的横纵坐标，以及压缩速度，载荷，位移调零，开始实验。
实验时需整个实验用数码相机记录。
图2.2图2.3
2.3充液圆柱壳后屈曲实验研究
下表2.1即为实验试件的各项几何参数。
表2.1试件的几何参数
实验验组别
直径（mm）
高（mm）
杨氏模量（GPa）
1
5.246
13.272
202
2
10.402
3
5.262
8.706
4
7.222
11.240
5
9.924
5.432
2．3.1实验1（图2.4-图2.18）
图2.4图2.5
图2.6图2.7
图2.8图2.9
图2.10
图2.11图2.12
图2.13图2.14
图2.15图2.16
图2.17图2.18
上面的图片为第一组实验，图2.4-图2.10为第一个实验。
图2.4为试件原图。
随着压头的不断下降，试件开始慢慢变形，试件的两端开始出现波纹，且波纹渐渐的明显如图2.5。
接着上部波纹向下发展，波纹变宽第二波纹出现。
底部相对称部位波纹
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