弹性圆柱壳动力和热屈曲中的辛方法

论文摘要

结构的稳定性问题一直以来都是近代固体力学研究的热点,也是工程问题中关注的焦点问题之一。作为固体力学中最基本的力学模型,圆柱壳的失稳问题一直备受关注。已经有许多学者针对圆柱壳在不同环境下的稳定性问题进行了研究,并解决了诸多实际的问题。实验中的一些局部屈曲现象需要由基本理论加以研究和解释,因此提出一种新的方法是必要的。冲击荷载和热荷载是两种比较常见的荷载形式,由于这两种荷载的特性不同,圆柱壳在这两种荷载分别作用下屈曲时具有一定的差异性。在冲击荷载作用下,由于圆柱壳的惯性和荷载作用的时效性,冲击荷载会在壳体内以应力波形式传播和反射等。由于应力波是局部的,圆柱壳在冲击载荷和热耦合作用下的屈曲问题呈现出整体屈曲中伴随着局部的屈曲。在拉格朗日体系下一类变量求解圆柱壳的前屈曲问题时,面临高阶的偏微方程,传统的分离变量法等在解决这类高阶偏微方程时失去了效用。因此在新的体系研究该类问题是必要的。本文针对弹性圆柱壳在热荷载、冲击荷载以及两种荷载耦合作用下的屈曲问题,通过引入原变量与对偶变量组成的全状态变量,建立了系统的哈密顿体系。从而将问题从欧几里德空间过渡到辛空间。在辛空间中,圆柱壳的临界屈曲荷载和屈曲模态归结为辛本征值和本征解问题。在辛体系下,零本征值本征解和非零本征值本征解分别对应圆柱壳屈曲时的轴对称屈曲模态和非轴对称屈曲模态。对于壳体的前屈曲问题可采用小变形理论,而后屈曲问题则需采用几何大变形理论。借助于辛本征解的完备性,后屈曲问题屈曲模态通过辛本征解的展开逼近,并以前屈曲模态作为初始模态进行研究和讨论。这样就将前屈曲和后屈曲问题有机统一起来。从而揭示了结构从前屈曲到后屈曲整个屈曲发展过程。同时形成一种求解非线性问题方法。在讨论了应力波在圆柱壳内部传播、反射和透射等之后,研究了应力波对圆柱壳屈曲的影响。给出了在轴向冲击载荷、热荷载以及它们的耦合作用下和各种端部支承条件下圆柱壳屈曲的临界荷载和屈曲模态。结果表明在轴向冲击载荷下的屈曲必然伴随应力波效应,因而会产生局部的屈曲;而圆柱壳发生热屈曲表现为整体的屈曲形式。在圆柱壳受到冲击载荷作用时,应力波传播的初期,壳体容易发生的局部屈曲表现为冲击端形如“喇叭口”的张开型;由于应力波在另一端发生反射后,则反射端的张开型屈曲容易出现;在脉冲载荷下圆柱壳会发生中部“竹节”形状的屈曲。脉冲载荷往往是由冲击弹性质量块(子弹)中应力波的传播、反射和透射形成的。文中对这种现象进行了理论上的分析。事实上,这些局部屈曲现象是能量集中的表现。研究结果得出结论,应力波在圆柱壳内部传播、反射和透射是产生该壳局部屈曲的主要因素。圆柱壳局部屈曲形式还与圆柱壳的物理参数和几何参数有关。脉冲的长短和圆柱壳的波速与波阻抗对局部屈曲现象起着相当重要的作用。为了探讨圆柱壳后屈曲的发展对初始模态的敏感程度,采用各种前屈曲模态作为圆柱壳后屈曲问题中的初始模态(包括初始模态的幅值、环向各阶模态和母线方向的各分支模态等)。数值结果表明,在圆柱壳热后屈曲问题中,对初始模态是不敏感的。此外,对于比较薄的圆柱壳,其后屈曲过程发展中的模态在环向倾向于高阶;而对于比较长的圆柱壳的后屈曲,会在母线方向上产生比较多的屈曲波纹。这些结果和结论为工程结构稳定性设计提供了重要数据和依据。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
• 1.1 课题的研究背景与意义
• 1.2 圆柱壳热和动力稳定性研究现状
• 1.2.1 圆柱壳热屈曲研究进展
• 1.2.2 圆柱壳的动力屈曲的特点及其判定准则
• 1.2.3 圆柱壳的动力稳定性研究进展
• 1.2.4 结构动力屈曲过程中的实验技术
• 1.3 哈密顿体系理论发展及其理论基础
• 1.3.1 力学中的三种体系
• 1.3.2 辛几何简介
• 1.4 本文的研究工作
• 2 轴向冲击作用下横观各向同性圆柱壳的屈曲
• 2.1 基本问题描述
• 2.1.1 哈密顿变分原理
• 2.1.2 拉格朗日体系下的屈曲控制方程和边界条件
• 2.1.3 应力波传播过程中的轴向冲击荷载和内力
• 2.2 轴向冲击问题的哈密顿体系和辛共轭正交关系
• 2.2.1 哈密顿系统的建立
• 2.2.2 辛共轭正交关系
• 2.3 哈密顿体系下的边界条件和连续性条件
• 2.3.1 半无限长圆柱壳问题
• 2.3.2 有限长圆柱壳问题
• 2.3.3 分叉条件
• 2.4 轴向冲击圆柱壳数值结果
• 2.4.1 应力波反射前
• 2.4.2 应力波反射后
• 2.4.3 其它边界条件问题
• 2.5 小结
• 3 各向同性圆柱壳的热前屈曲问题
• 3.1 圆柱壳热屈曲的基本问题
• 3.1.1 哈密顿原理和哈密顿作用量
• 3.1.2 传统体系下的基本问题描述
• 3.2 圆柱壳热屈曲问题的哈密顿体系
• 3.2.1 热屈曲问题的哈密顿体系的建立
• 3.2.2 本征值和本征解
• 3.3 哈密顿体系下的边界和分叉条件
• 3.4 与其他文献结果对比
• 3.5 数值结果
• 3.5.1 简支-固支边界圆柱壳的热屈曲
• 3.5.2 固支-固支边界圆柱壳的热屈曲
• 3.6 小结
• 4 各向同性圆柱壳轴向冲击和热耦合屈曲
• 4.1 圆柱壳轴向冲击和热耦合的基本问题描述
• 4.1.1 耦合问题的哈密顿原理
• 4.1.2 轴向应力波传播和内力表达式
• 4.2 圆柱壳耦合屈曲问题的哈密顿体系与辛共轭正交关系
• 4.2.1 哈密顿体系
• 4.2.2 辛共轭正交关系
• 4.3 边界和分叉条件
• 4.4 数值结果
• 4.5 小结
• 5 弹性梁的非线性热屈曲与辛本征解方法
• 5.1 基本问题和哈密顿体系
• 5.2 弹性梁的前屈曲和后屈曲问题
• 5.2.1 弹性梁的前屈曲问题
• 5.2.2 弹性梁的后屈曲问题
• 5.3 数值结果
• 5.4 小结
• 6 弹性圆柱壳的热后屈曲
• 6.1 后屈曲基本问题
• 6.2 数值算例
• 6.2.1 初始模态的影响
• 6.2.2 圆柱壳厚度对后屈曲行为的影响
• 6.3 圆柱壳长度对后屈曲行为的影响
• 6.4 小结
• 7 轴向受冲圆柱壳的竹节行为研究
• 7.1 基本问题描述
• 7.1.1 轴向冲击圆柱壳实验装置简介
• 7.1.2 圆柱壳轴向冲击问题的基本方程
• 7.2 相容条件和分叉条件
• 7.2.1 应力波传播和反射相容条件
• 7.2.3 分叉条件
• 7.3 数值结果
• 7.3.1 弹性体轴向冲击圆柱壳的轴对称屈曲问题
• 7.3.2 脉冲轴向冲击圆柱壳的轴对称和非轴对称屈曲
• 7.4 小结
• 结论
• 参考文献
• 创新点摘要
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介