新型干式煤气柜结构的非线性屈曲与稳定研究

摘要

新型干式煤气柜属于大型空间薄壁组合壳体结构，柜体为纵环加筋圆柱壳，柜顶和活塞均为径环加筋扁球壳。新型干式煤气柜主要用于储存高压煤气，严格控制柜体内压弯曲变形是保证结构气密性和正常运行的关键。同时，针对这种大型结构，缩尺模型试验是结构预研和安全使用不可回避的需求。本文首先基于空间壳体理论和弹性地基梁理论，提出了柜体弯曲变形分析的两种改进方法。随后，利用改进的能量法缩尺原理，对加筋圆柱曲板和圆柱壳的预压自振和屈曲相似模拟、线性和非线性稳定相似模拟、径环加筋扁球壳的自振相似模拟及缩尺原理在柜体的应用进行了深入系统的研究，主要包括以下几方面内容：
　　①基于改进的离散加筋法和弹性地基板条梁法，对柜体受局部内压作用下的弯曲变形进行了分析。提出了局部内压作用的环向加筋圆柱壳和局部均布荷载作用的弹性地基板条梁简化力学模型，分别采用改进的离散加筋法和弹性地基板条梁法，对新型干式煤气柜柜体受局部内压作用下的弯曲变形进行了分析，并与密加筋法结果和有限元结果进行了对比。在此基础上，给出了判定环向加筋圆柱壳密肋、稀肋的方法。结果表明，改进的弹性地基板条梁法具有适用性强、精度高、效率好的优点；当环向加筋间距dr＞3.875(Rt)1/2时，改进离散加筋法计算效率较高。
　　②基于结构体系的总能量，建立了考虑预压变形的屈曲和自振的广义相似条件及缩尺原理公式。首次考虑刚度参数公式，对不完全相似缩尺原理进行了完善。在保证刚度缩尺因子不变的前提下，可对一些参数进行改变。通过求解关于加筋肋释放了扭转常量相似方程的非线性方程组，可以获得加筋肋材料发生变化模型的等效加筋肋几何尺寸。完全相似和不完全相似分析表明：模型结果结合相应的缩尺原理公式均能较好地预测其对应原型的结果。
　　③首次考虑结构刚度参数公式，构建了完善的径环加筋扁球壳轴对称振动的广义相似条件和缩尺原理公式。通过简单的算例验证，确保了理论公式推导的正确性。研究了无量纲加筋截面积、偏心距和惯性矩等参数对结构基本动力特性的影响。然后，基于完善后的缩尺原理公式进行了完全相似和不完全相似缩尺振动研究。结果表明：完全相似和不完全相似缩尺模型均能较好地预测其对应原型的基本动力特性。当模型与原型的加筋满足截面积、一阶矩和二阶矩与对应加筋间距比值相似时，模型加筋截面可采用与原型不同的形式，为试验模型的设计提供了较大的选择空间。
　　④基于能量法建立了加筋圆柱壳线性屈曲的广义相似条件和缩尺原理公式，采用有限元仿真的手段对轴压和侧压作用的加筋圆柱壳进行了线性屈曲相似模拟。通过验证文献算例，保证了有限元分析的正确性和可靠性。研究了不同长径比、不同边界条件和不同加筋截面形式对轴压和侧压作用的加筋圆柱壳线性屈曲相似模拟的影响。结果表明：完全相似和不完全相似模型均能较好地预测原型的线性屈曲特性。完善后的线性屈曲缩尺原理适用于不同长径比、不同边界条件和不同加筋肋截面形式的加筋圆柱壳。
　　⑤首次考虑变形缩尺因子，发展了加筋圆柱壳非线性稳定的缩尺原理。首先通过验证文献非线性稳定算例，确保有限元分析的正确性和可靠性。接下来，基于一阶特征值屈曲模态缺陷和理想扰动位移缺陷，通过有限元仿真的手段系统地开展了纵环加筋(矩形和T型)圆柱壳非线性稳定的相似模拟。结果表明：完全相似和不完全相似模型均能较好地预测其对应原型的非线性稳定特性。随模型与原型泊松比偏差的增大，原型的平衡路径曲线预测结果与有限元结果的偏差逐渐增大。发展的非线性稳定缩尺原理适用于不同长径比、不同边界条件和不同加筋肋截面形式的加筋圆柱壳，为更真实地预测原型结构的稳定承载特性提供了参考。
　　⑥在前面章节研究的基础上，不考虑立柱的有利影响，采用仅含环向加筋的截断柜体作为计算单元，对新型干式煤气柜柜体的线性屈曲和非线性后屈曲及自振相似模拟进行了探讨。线性屈曲和自振相似模拟表明，完全相似和不完全相似缩尺模型，均能较好地预测其对应原型的线性屈曲和自振特性。后屈曲相似模拟结果表明，对于两端固支和上端简支下端固支的截断柜体，当缺陷因子较小时，模型能较好地预测其对应原型的平衡路径，当缺陷因子较大时，模型仅能较好地预测其对应原型平衡路径的变化规律。在平衡路径末端，模型与其对应原型的屈曲模态相同。线性分析时加筋的疏密特性无显现，在非线性后屈曲发展进程中，加筋的疏密特性随缺陷因子的增大逐渐凸显。基于密加筋理论发展的非线性后屈曲缩尺原理，仅适用于环向加筋布置比较密的柜体。

目录

主要符号

1 绪 论

1.1 研究背景及意义

1.2 国内外研究进展

1.3 本文主要研究内容

2 新型干式煤气柜局部内压弯曲分析方法研究

2.1 空间壳体分析法

2.2 弹性地基板条梁法

2.3 结果对比与讨论

2.4 本章小结

3 加筋圆柱曲板和圆柱壳预压振动与屈曲缩尺模型研究

3.1 加筋圆柱曲板和圆柱壳基于能量法的广义相似条件

3.2 加筋圆柱曲板和圆柱壳真实线性屈曲与振动的缩尺原理公式

3.3 真实线性屈曲和振动的理论求解

3.4 公式正确性验证

3.5 真实线性屈曲相似模拟分析和讨论

3.6 真实线性自振相似模拟

3.7 本章小结

4 加筋扁球壳轴对称自振缩尺模型研究

4.1 加筋扁球壳基于能量法的广义相似条件

4.2 扁球壳自由振动的缩尺原理

4.3 周边完全固支扁球壳自由振动的理论推导

4.4 自振算例验证及分析

4.5 本章小结

5 加筋圆柱壳线性稳定缩尺模型研究

5.1 加筋圆柱壳特征值屈曲分析方法

5.2 加筋圆柱壳线性稳定有限元模型验证

5.3 加筋圆柱壳线性屈曲相似模拟

5.4 本章小结

6 加筋圆柱壳非线性稳定缩尺模型研究

6.1 加筋圆柱壳非线性分析的广义相似条件及屈曲缩尺原理公式

6.2 加筋圆柱壳非线性稳定分析方法

6.3 非线性稳定有限元模型验证

6.4 基于一阶特征值模态缺陷的轴压非线性稳定相似模拟

6.5 基于一阶特征值模态缺陷的侧压后屈曲相似模拟

6.6 基于理想扰动位移缺陷的非线性稳定相似模拟

6.7 本章小结

7 缩尺原理在大型新型干式煤气柜柜体的应用

7.1 环向T型加筋截断柜体侧压屈曲相似模拟

7.2 环向T型加筋截断柜体自振相似模拟

7.3 本章小结

8 结论与展望

8.1 主要结论

8.2 主要创新点

8.3 研究工作展望

致谢

参考文献

附录

A. C3纵环矩形加筋圆柱壳轴压非线性稳定完全相似模拟图

B. C3纵环矩形加筋圆柱壳轴压非线性稳定不完全相似模拟图

C. CC4纵环矩形加筋圆柱壳侧压后屈曲完全相似模拟图

D. CC4纵环矩形加筋圆柱壳侧压后屈曲不完全相似模拟图

E. 作者在攻读学位期间发表的论文目录

F. 作者在攻读学位期间参加的科研项目