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摘 要

在外压作用下，圆筒形容器被压扁，横截面呈现多个波形，此时，容器被认为发生失稳。容器发生失稳时，受到的外压就是临界载荷，研究外压容器稳定性有助于确定其临界压力以及失稳模态，以改进容器结构，进行适当加强，提高其承载能力。

Mises，Pamm等人均提出了基于线性小扰度理论的外压圆筒临界压力计算方法，但实际工程结构往往存在制造、安装等缺陷，在实际载荷作用下结构也可能出现塑性，因此理论法存在一定的局限性。

本文主要利用ANSYS软件中的特征值分析和非线性分析方法来对试件进行模拟计算，并分析筒体尺寸和形状缺陷对临界压力的影响。利用外压圆筒失稳实验装置，探究实验值和理论值，模拟值之间的关系。

关键词：外压薄壁容器 稳定性 有限元模拟 临界压力

The analysis of stability of thin-walled cylindrical shell under external pressure

Abstract

Under the action of external pressure, the cylindrical container is squashed, and the cross section shows multiple waveforms. At this time, the container is considered to be unstable. When the container reaches instability, the external pressure it receives is the critical load. Studying the stability of the external pressure container helps to determine its critical pressure and instability mode to improve the structure of the container, strengthen it properly, and increase its carrying capacity.

A critical pressure calculation method for external pressure cylinder based on the linear theory of small deflection is proposed by Mises、Pamm etc, but the actual engineering structure often has defects such as manufacturing and installation, and the structure may also appear plastic under the action of actual load, so the theoretical method has certain limitations.

In this paper, the eigenvalue buckling analysis and nonlinear buckling analysis in

ANSYS finite element software are used to simulate thin-walled cylinders.The main

researches are cylinder size,initial defects influence on critical pressure.Study thin walled short cylinder by external pressure stability experiment, to explore the relations between measured values and the theoretical value and simulation value.

Key Words：External pressure thin-walled；vessel stability ；Finite element simulation；critical pressure

目 录

摘要 …………………………………………………………………………………I

ABSTRACT ……………………………………………………………………II

第一章 绪论 ………………………………………………………………………1

1.1课题研究背景和意义………………………………………………………1

1.2国内外研究现状……………………………………………………………2

1.3本文主要研究内容…………………………………………………………4

第二章 外压薄壁短圆筒有限元分析…………………………………………5

2.1容器的失稳…………………………………………………………………5

2.2临界压力……………………………………………………………………6

2.2.1短圆筒………………………………………………………………6

2.2.2长圆筒………………………………………………………………7

2.2.3刚性圆筒……………………………………………………………7

2.2.4临界长度……………………………………………………………8

2.3有限元ANSYS分析 ………………………………………………………8

2.3.1特征值屈曲分析……………………………………………………8

2.3.2非线性屈曲分析……………………………………………………9

2.3.3屈曲分析步骤………………………………………………………9

2.4有限元模型的建立……………………………………………………… 10

2.4.1单元类型的选择………………………………………………… 10

2.4.2定义材料属性…………………………………………………… 10

2.4.3建立模型………………………………………………………… 10

2.4.4网格划分………………………………………………………… 11

2.4.5施加约束…………………………………………………………12

2.4.6施加载荷…………………………………………………………13

2.5有限元计算结果…………………………………………………………13

2.5.1特征值计算………………………………………………………13

2.5.2非线性计算………………………………………………………15

2.6结果分析…………………………………………………………………16

第三章 外压容器临界压力影响因素分析………………………………17

3.1几何尺寸对临界压力的影响……………………………………………17

3.1.1直径………………………………………………………………17

3.1.2厚度………………………………………………………………17

3.1.3筒长………………………………………………………………18

3.1.4结果分析…………………………………………………………18

3.2材料性能对临界压力的影响……………………………………………18

3.3形状缺陷对临界压力的影响……………………………………………19

3.4其他因素…………………………………………………………………20

第四章 薄壁短圆筒外压实验………………………………………………21

4.1总体装置…………………………………………………………………21

4.2实验过程…………………………………………………………………22

4.3结果分析…………………………………………………………………23

4.4误差分析…………………………………………………………………24

第五章 总结与展望……………………………………………………………25

5.1总结………………………………………………………………………25

5.2展望………………………………………………………………………25

有限元法经济评价………………………………………………………………27

参考文献 …………………………………………………………………………28

致谢………………………………………………………………………………30

1. 绪论
   1. 课题研究背景和意义

压力容器是在一定压力下工作的密闭容器，用于工艺流程中盛装各种液体和气体。压力容器被广泛应用于多个学科领域，比如石油，化工，核能，动力等等，其中以在化学与化学工业中使用最多。它在生产过程中起着关键性的作用，是整个流程必不可少的设备，例如，化工原料投入生产前，需要用到的抽滤器；加工原油需要用于换热的换热器，用于石油分馏的精馏塔，用于热能转化的锅炉等。按照壁厚，承压方式，工作温度，压力等级，几何形状，安全综合等方式，压力容器可以分为很多种类。

压力容器失效是指压力容器在使用环境和使用寿命内，因各种自身结构或外部其他原因而失去或未达到原设计功能，通常伴随着材料性能和形状的变化。按照失效发生的原因，压力容器失效种类有强度失效、刚度失效、失稳失效和泄漏失效^[1]。

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