屈曲点及屈曲载荷的计算在用总刚度矩阵行列式|K|进行稳定性判断时,如果载荷的第n级|Kn|为正,且第n+1级|Kn+1|为负,那么在该区间内有屈曲点,亦即|K|=0点。设第n级的应力矢量、位移矢量、载荷矢量分别P,则K为K()=K0+K1+K2当继续加一个微小的载荷增量P时,位移增量为,应力增量为,K转化为K=K0+K1(+)+K2(+)(3)将式(3)进行泰勒展开,同时考虑到K2比K1要小,并略去高次项,得K=K0+K1+K2+K1此时的屈曲点就可以从下式中求出K=K0+K1+K2+K1=0求出最小特征值,然后求得屈曲载荷:P+P.
模型的建立反应釜主体壁厚的设计尺寸为5mm,壁厚远小于直径和高度尺寸。在建模时首先考虑到顶盖法兰对容器的稳定性起到了一个加强作用,同时约束法兰以及主体的支撑面自由度,再对结构进行网格划分,网格模型。材料特性:弹性模量E=21011Pa,泊松比=0.3,密度D=7960kg/m3.4种载荷工况:工况,真空态;工况,大气态;工况,高温态,300;工况,低温态,-80.
结构动力屈曲分析在静力分析基础上,利用ANSYS的特征值屈曲分析,通过扩展解,施加一个单位荷载就可以从特征值中得到屈曲模态,预测屈曲荷载的上限。这个上限作为非线性屈曲分析的给定载荷,逐步施加一个恒定的荷载增量直到解开始发散为止,把增量非线性分析的有限元法与屈曲特征值求解相结合,用所有非线性影响的刚度矩阵来评价屈曲特征值,求出更接近真实解的失稳载荷。
通过分析获得了反应釜在不同工况下临界屈曲载荷,其结果如所示,主体的临界屈曲载荷界于0.81.4MPa之间。该结果是从理想结构体运算得出,与经典欧拉方程求解结果相一致。但是,由于材料的缺陷和非线性导致了理想结构体求得的解高于实际解,也就是特征值屈曲分析经常产生非保守结果,实际屈曲临界载荷会低于该计算解。给出了壁厚为5mm时,在第1阶、第2阶和第3阶屈曲模态作用下的变形示意图(变形量经过放大),可以看出,在第1阶屈曲状态下,本体右侧鼓起,中部有两处较大变形;第2阶屈曲状态下,在中部有2处较大的凹陷变形;第3阶屈曲状态下,本侧左鼓起,在中部有一处凸起,一处凹陷。
给出了真空态下,不同壁厚的反应釜,在各种载荷工况下的临界屈曲载荷,随着壁厚增加,临界载荷也逐渐增大。经计算,壁厚4mm时,在均匀载荷作用下能承受的1阶屈曲载荷为1.242MPa,安全系数为6.2;壁厚为5mm时,则其1阶屈曲载荷为1.431MPa,安全系数可达到7.2;在壁厚为7mm时,在均匀载荷作用下能承受的1阶屈曲载荷为3.669MPa,安全系数高达18.3.从计算结果看,反应釜主体的安全系数充裕,能够满足设备在正常运行状态下稳定性的要求。
结论a.通过有限元运算,获得在真空、大气、高温、低温4种极端条件下反应釜主体的临界屈曲载荷。b.找到反应釜在各阶屈曲模态下的变形情况。c.经过分析,真空状态下,不同壁厚的反应釜均能取得较高的安全系数,且随壁厚增大,临界各阶屈曲载荷有增大趋势。表明反应釜的设计安全可靠。