考虑动力效应的箱型截面钢柱火灾下屈曲温度与临界温度研究

通过参数分析研究考虑动力效应的箱型截面钢柱火灾下的屈曲温度与临界温度。考虑转动约束刚度比、轴向约束刚度比、荷载比,建立约束钢柱有限元模型,并采用文献中的试验进行验证。研究结果表明,约束钢柱静力分析和显式动力分析的屈曲温度几乎一致,而由静力分析得到的临界温度略小于由显式动力分析得到的临界温度,差别在30℃以内。随着转动约束刚度比的增大,屈曲温度与临界温度均上升,并且转动约束刚度比对临界温度的影响更大。随着轴向约束刚度比和荷载比的增大,约束钢柱的屈曲温度和临界温度均出现明显下降。基于参数分析的结果,在已有文献中关于钢柱屈曲温度和临界温度计算公式的基础上,提出新的屈曲温度和临界温度计算公式,提出的计算公式预测结果与本文有限元模拟结果吻合较好,利用试验数据对提出的屈曲温度和临界温度计算公式的有效性做进一步的验证,对比结果表明提出的计算公式可以很好地预测钢柱的屈曲温度和临界温度。

环境温变对纤维增强夹芯板临界热屈曲温度的影响

基于三角剪切变形理论,推导出了夹芯板的控制方程,利用瑞利-里兹法求解夹芯板的临界热屈曲温度。考虑温度沿厚度方向变化,研究了温度函数指数、边界条件、长厚比、长宽比、面板厚度与总厚度的比值和纤维角度对夹芯板临界热屈曲温度的影响。结果表明,均匀温度夹芯板临界热屈曲温度最低;非线性温度夹芯板临界热屈曲温度最高。临界热屈曲温度随着长厚比、面板厚度与总厚度的比值的增大而减小。在四边简支边界条件下,长方形夹芯板的临界热屈曲温度大于正方形夹芯板的临界热屈曲温度。四种边界条件下的正方形夹芯板,四边简支夹芯板的临界热屈曲温度最小,四边固支夹芯板的临界热屈曲温度最大。正方形夹芯板临界热屈曲温度最大值出现在纤维角度为45°和135°附近。

刚性空腔内弹性衬壳热屈曲温度数值解法

研究了刚性空腔内弹性圆柱形两端固支钢衬壳由于温度变化引起的屈曲问题。应用非线性理论导出衬壳热屈曲问题的大挠度控制方程，用渐进分析法将其线性化。假设满足边界条件和刚性空腔约束条件的屈曲模态，分别采用伽辽金（Ｇａｌｅｒｋｉｎ）法和配点法解出屈曲温度。计算了一个模型，两种方法得出的结果十分接近。给出衬壳的长度和厚度对屈曲温度的影响曲线。文中结果可应用于核反应堆安全壳和化学工业中厚壁高压反应塔中内衬壳设计。

温度影响下变截面梁自由振动与屈曲的微分变换法求解

基于Euler-Bernoulli梁理论推导了变截面梁在温度影响下的自由振动控制微分方程,并利用微分变换法(DTM)对控制微分方程以及边界条件进行变换,求解了两端夹紧、两端简支、一端夹紧一端简支3种不同边界条件下变截面梁自由振动的无量纲固有频率和热屈曲临界温度。考虑了无量纲升温和截面变化系数对变截面梁自由振动频率的影响,并计算了不同截面变化系数情况下变截面梁达到屈曲状态时的无量纲临界温度。将计算结果与已有文献进行对比,说明了DTM的准确性和有效性。

带有温度梯度的热载荷与声载荷作用下薄板动态响应

随着先进飞行器性能的提高,它们面临着日益严峻的热、噪声、机械载荷等,在这些复杂载荷的作用下,会引发非线性振动特性。特别是高超飞行器的气动加热引起的高温直接影响材料的选择并且显著地改变结构的设计实践,所形成的热梯度与内部热膨胀也会使结构产生热屈曲现象。考虑到热声载荷的影响,针对带有温度梯度的热载荷与随机声载荷作用下四边简支板振动特性进行了研究。通过各向同性矩形薄壁结构在热声载荷作用下的大挠度非线性控制方程,导出了四边简支板的模态频率以及温度梯度作用下的热屈曲温度差。采用有限元数值计算方法计算了热声载荷作用下简支板热屈曲前后的动态应力响应,并对应力的概率密度、功率谱密度、有效值进行了详细的统计分析。

火灾下蜂窝钢梁腹板屈曲性能研究

通过有限元方法研究火灾下无防火保护蜂窝钢梁孔间腹板屈曲性能及屈曲温度。首先采用有限元传热分析,获得标准火灾下无防火保护蜂窝梁不同受火时刻的三维有限元温度分析结果,然后采用有限元受力分析确定三维有限元温度分析结果下蜂窝梁孔间腹板的受力性能和屈曲温度。传热分布结果表明,开孔后增加了孔洞周边厚度方向上腹板与空气间的热量交换,使得腹板升温速率明显大于翼缘。火灾下结构受力分析结果表明,由于钢材的力学性能随温度升高而降低,而且中心腹板升温速率快使蜂窝梁更易发生孔间腹板屈曲破坏。蜂窝梁的屈曲温度随孔间距及腹板厚度的增大而增大。通过对采用三维有限元温度分布与均匀温度分布的蜂窝梁进行对比分析,结果表明,由于不均匀温度分布使得沿腹板高度产生附加热应力,从而使得孔间腹板屈曲变形增大。

液黏离合器摩擦副热屈曲特性仿真分析

为了研究液黏离合器摩擦副软启动过程中的热屈曲变形,建立了对偶钢片轴对称热传导模型和热屈曲模型,获得了温度场的分布规律,通过有限元法求解了对偶钢片的屈曲变形模态及临界屈曲温度,并分析了约束条件对热屈曲特性的影响。结果表明:软启动结束时对偶钢片温度及径向温差均达到最大值,温度沿径向方向先上升后下降,厚度方向不存在温度梯度;第一阶屈曲模态具有最低的临界屈曲温度,为锥形变形,轴向位移沿半径方向呈线性分布;约束条件能够改变钢片的屈曲模态以及降低临界屈曲温度,为避免液黏离合器摩擦副发生热变形和热失效提供一定的理论依据。

火灾下螺栓连接蜂窝梁孔间腹板屈曲性能分析

采用有限元方法研究了火灾下螺栓连接蜂窝梁的屈曲性能,并与传统焊接蜂窝梁进行了比较,分析了不同连接方式对蜂窝梁孔间腹板的屈曲模式和屈曲温度的影响。除焊接连接蜂窝梁外,还对上、下两T形部分采用螺栓搭接连接、借助单侧拼接板对接连接和借助双侧拼接板对接连接的蜂窝梁进行了研究。对焊接连接蜂窝梁和螺栓连接蜂窝梁,均假设腹板孔间温度均匀分布。分析结果表明:在相同截面尺寸情况下,螺栓连接蜂窝梁几乎具有与传统焊接蜂窝梁相同的抗火性能;借助单侧拼接板和借助双侧拼接板对接连接的蜂窝梁的屈曲温度略大于传统焊接蜂窝梁的屈曲温度;而采用螺栓搭接连接蜂窝梁孔间腹板的屈曲温度稍低于焊接连接蜂窝梁的屈曲温度。

考虑边界约束条件的C/SiC壁板热屈曲试验研究

当热变形受到限制或承受非均匀温度场时,复合材料壁板易发生热屈曲现象,导致出现分层或改变了结构的动力学特性,严重影响着飞行器结构的完整性。本文选取典型C/SiC壁板为试验件,设计了水冷边界工装,采用双向限制位移方法模拟试验件的边界约束状态。基于石英灯加热装置,开展了不同升温速率下的热屈曲试验,采用热像仪和数字图像相关技术等测试获取了真实的温度场和变形场。同时开展了不同温度状态下的热模态试验。依据壁板中心点离面位移变化和第1阶固有频率变化计算得到热屈曲临界温度,并作对比分析,可为热防护结构设计和力热试验验证提供技术支撑。

帽型加筋板热屈曲优化设计

针对非均匀温度场作用下的帽型加筋板热屈曲问题,采用有限元开展了临界屈曲温度场计算方法研究。在此基础上,结合自动参数化建模方法,建立了以提高受热加筋板屈曲承载能力为目标的优化流程。为了提高优化算法的搜索效率,分别建立了一阶热屈曲特征值和结构重量的代理模型,并将代理模型嵌入到优化流程中,通过代理模型对屈曲特征值和结构重量进行预测来降低优化设计中的有限元计算量,对典型帽型加筋板进行热屈曲分析及优化设计。结果表明,本文中采用的方法可行而且高效,在相关结构设计中具有较大的应用价值。

轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱受火性能分析

针对轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱受火性能进行了分析.结果包括各参数对约束钢柱轴力—温度关系曲线,跨中弯矩—温度关系曲线,约束钢柱破坏温度,无约束钢柱与约束钢柱破坏温度之差,以及约束钢柱破坏温度与屈曲温度之差等的影响.主要结论为:约束钢柱屈曲前,轴力基本线性增加,截面弯矩变化较小,约束钢柱屈曲后,截面弯矩突然增大;轴向约束减小钢柱的破坏温度,并随约束刚度的增加,钢柱的破坏温度逐渐减小,但是存在临界轴向约束刚度比,当大于该临界约束刚度比时,轴向约束刚度比的大小对钢柱的屈曲温度影响很小;随着轴向荷载比和弯矩荷载比的增加,约束钢柱的破坏温度减小;端部弯矩比对约束钢柱的破坏温度影响较小.

轴力作用下的约束钢柱受火性能参数分析

利用经过试验验证的有限元模型对轴力作用下约束钢柱火灾下的受力性能进行了参数分析.分析结果包括各参数对钢柱轴力—温度关系曲线、钢柱跨中弯矩—温度关系曲线、约束钢柱破坏温度、无约束钢柱与约束钢柱破坏温度之差、约束钢柱破坏温度与屈曲温度之差的影响等.参数分析表明:约束钢柱屈曲前,轴力基本线性增加,截面弯矩变化较小;约束钢柱屈曲后,截面弯矩突然增大,钢柱处于轴力和弯矩的共同作用下;轴向约束减小约束钢柱的破坏温度,但是存在一个临界轴向约束刚度比,当大于该临界比时,轴向约束刚度比的大小对钢柱的破坏温度影响很小.

火灾下轴心受压H型截面约束钢柱整体稳定设计

利用验证的有限元模型分析了轴向约束刚度比、轴力荷载比和钢柱长细比对火灾下轴心受压H形截面约束钢柱屈曲温度和破坏温度的影响,给出了其屈曲温度和破坏温度的计算方法。轴向约束刚度比对约束钢柱屈曲温度和破坏温度的影响可用指数函数表示,轴力荷载比和钢柱长细比对约束钢柱屈曲温度和破坏温度的影响可用多项式表示。采用有限元方法对计算公式进行了验证,设计公式计算结果与有限元分析结果吻合较好,且设计公式给出偏于安全的结果。

火灾下约束钢柱受力性能实用分析方法(Ⅰ)——轴力作用下的约束钢柱

给出了确定轴压约束钢柱在火灾升温条件下屈曲温度和破坏温度的简化计算方法,采用有限元方法、相关研究者的研究成果和试验结果对计算方法进行了验证。约束钢柱屈曲前,随着温度升高,轴力线性增加,截面弯矩很小并保持不变,采用无约束钢柱屈曲温度计算公式确定其屈曲温度,钢柱轴力考虑轴向约束的影响;约束钢柱屈曲后处于轴力和弯矩的共同作用下,利用截面屈服条件表示的轴力-弯矩相关关系确定其破坏温度,钢柱轴力取升温前初始轴力。本文方法计算结果与有限元分析结果和其他研究人员的研究成果吻合较好,与试验结果的比较表明本文方法偏于安全。

约束钢柱抗火性能研究现状

本文介绍了约束钢柱抗火设计方法的研究进展和已有研究成果,包括火灾下整体结构的分析方法,火灾下约束钢柱的受力性能理论分析和试验研究,约束钢柱在火灾下的计算长度,约束钢柱的高等抗火设计方法和简化抗火设计方法等,并对需要进一步研究的问题给出了建议。

火灾下约束钢柱受力性能实用分析方法(Ⅱ)-轴力和弯矩共同作用下的约束钢柱

对火灾升温条件下压弯约束钢柱的轴力和截面弯矩发展规律进行了研究,给出了确定其屈曲温度和破坏温度的简化方法。约束钢柱屈曲前,随着温度升高钢柱轴力线性增加,截面弯矩基本保持不变;约束钢柱屈曲后,钢柱轴力减小,截面弯矩突然增大,钢柱处于轴力和弯矩共同作用下。确定屈曲温度时,采用无约束压弯钢柱屈曲温度的计算公式,钢柱轴力考虑轴向约束的影响;确定破坏温度时,破坏准则采用截面屈服条件表示的轴力-弯矩相关关系,轴力取初始轴力。利用有限元方法对本文公式进行了验证,对通常情况下的约束钢柱(荷载比小于0.7,约束刚度比小于0.1),本文方法与有限元方法计算结果吻合较好。

国际期刊导读

火灾下蠕变对轴向约束钢柱屈曲的影响 目前,大多采用考虑蠕变的Harmathy蠕变模型进行耐火性分析。Harmathy蠕变模型仅能预测恒定应力下一定精度的蠕变,不适用于应力变化的情况。轴向约束钢柱遇到火灾时,火灾过程中应力将随着时间和温度的变化而迅速变化。该文研究了火灾下蠕变对轴向受压钢柱屈曲性能的影响。使用ANSYS软件中能够预测任何时间、应力或温度下钢材蠕变应力的蠕变模型来预测蠕变应力。分别对考虑和不考虑蠕变的情况进行数值模拟,并对两种情况下的屈曲温度和轴向变形结果进行对比分析。快火和慢火工况都考虑在内。研究结果显示,慢火工况下考虑蠕变的轴向约束钢柱屈曲温度高于不考虑蠕变的屈曲温度,快火工况下考虑蠕变的轴向约束钢柱屈曲温度可能高于也可能低于不考虑蠕变的屈曲温度。

低温下混合结构壁板的热屈曲研究

本文开展低温下金属复材混合结构壁板的热屈曲行为规律研究,从解析法、有限元方法和试验测试开展研究混合结构热屈曲行为,针对混合结构从常温20℃到-55℃的热屈曲行为,采用非接触式光学测试技术获取整个温度历程的热屈曲变形参数,并通过理论解法、仿真法和数据判断法获取混合结构临界热屈曲温度。揭示飞机温度包线下混合结构壁板的热屈曲变形规律。结论:结构离面位移变化是结构屈曲失稳的表现,壁板结构在降温过程中虽然产生屈曲失稳现象,但是结构仍可恢复至正常状态;理论解法、仿真法和拐点法判定结构热屈曲临界载荷结果相近,可用于热屈曲临界载荷的确定,为低温下混合结构壁板设计与试验提供方法支持。

High-Order Lateral Buckling Analysis of Submarine Pipeline Under Thermal Stress

It is of importance to study and predict the possible buckling of submarine pipeline under thermal stress in pipeline design.Since soil resistance is not strong enough to restrain the large deformation of pipeline,high-order buckling modes occur very easily.Analytical solutions to high-order buckling modes were obtained in this paper.The relationships between buckling temperature and the amplitude or the wavelength of buckling modes were established.Analytical solutions were obtained to predict the occurrence and consequence of in-service buckling of a heated pipeline in an oil field.The effects of temperature difference and properties of subsoil on buckling modes were investigated.The results show that buckling will occur once temperature difference exceeds safe temperature;high-order pipeline buckling occurs very easily;the larger the friction coefficients are,the safer the submarine pipeline will be.

常温及火灾下蜂窝梁腹板屈曲承载力计算方法

采用斜压柱理论模型及有限元方法,研究了常温及火灾下圆角多边形孔蜂窝梁孔间腹板受剪屈曲性能和受剪屈曲承载力计算方法。孔间腹板S/d0和d0/tw的取值范围分别为1.4~2.0和41.4~80.7。在参数分析的基础上,对斜压柱的有效宽度及压力进行修正,用于计算孔间腹板的屈曲承载力;并提出了等效矩形理论,用于计算孔洞截面的受剪屈服承载力。蜂窝梁受剪承载力为孔间腹板屈曲承载力和孔洞截面受剪屈服承载力的较小值。采用修正的斜压柱理论模型和等效矩形理论得到的圆角多边形孔蜂窝梁受剪承载力稍小于有限元结果,比值在0.856~0.978之间。采用修正的斜压柱模型,并按照规范BS5950计算斜压柱屈曲应力,反算火灾下蜂窝梁孔间腹板屈曲温度,得到的火灾下圆角多边形孔蜂窝梁的孔间腹板屈曲温度仅稍低于有限元结果,偏差为0.17%~6.28%。