力学大会2015集局部表面纳米化对方形截面薄壁管抗屈曲性能.pdfVIP

局部表面纳米化对方形截面薄壁管抗屈曲性能 研究 * * + ，徐新生， *（大连理工大学工程力学系和工业装备结构分析国家 ，辽宁大连 116024） +（ 城市大学土木与建筑工程系， ） 本文将局部表面纳米化技术应用到薄壁结构设计中，探究不同的表面纳米化布局对方形截面薄壁管 抗屈曲性能的影响。应用有限元软件ABAQUS及弧长法算法对问题进行数值计算。结果表明，在轴向静 压力载荷作用下，局部表面纳米化技术不仅可以改变方形截面薄壁管的屈曲形态，而且可直接影响结 构屈曲过程中的位移载荷曲线。结果还表明，合理的局部表面纳米化可增强薄壁管抗屈曲性能。 方形截面薄壁管，表面纳米技术，临界载荷，屈曲模态，优化设计 引 言1 薄壁结构具有结构轻，成本低和吸收能量高等优点，被广泛的应用于吸能装置中。 但是薄壁结构也因为结构轻薄，结构不稳定，承载能力弱，易发生屈曲变形等性质。为 了提高薄壁结构的抗屈曲性能，多选用施加肋板等改变原结构的方法。目前在实验和数 值计算方面均有大量研究。Shahi和Marzbanrad[1]在实验和分析计算方面对轴向准静态 [2] 压力下铝合金分段圆管的变形情况经行了研究。Paik等 对低温下电镀钢材料的 [3] 面薄壁管的准静态轴压变形进行了实验和数值分析。Fan等 对凸多边形截面薄壁管在 [4] 轴向准静态压力下的屈曲行为经行了实验和有限元模拟研究。Lu等 提出了一种通过 驱使刚性小球冲击金属表面的表面纳米化技术，研究发现通过冲击细化孪晶间距 [5] 提高材料力学性能。并且在之后的研究 给出了确定的孪晶间距与材料性质的关系。We mpner[6]和Riks[7]最先提出弧长法思想，并经过多年研究改进已经形成完善的非线性求 基金项目：国家自然科学基金( ) ；973( 2014CB046803)资助项目. 作者简介： * （1990-），男，博士生，(E-mail ：fanjunhai0725 ) ； 系。借助于上述表面纳米化技术，以及弧长法，本文从数值分析方面对局部表面纳 米化的方形截面薄壁管静力抗屈曲性能进行研究。 1 非线性屈曲计算 在对本文方形截面薄壁管的屈曲计算中，首先对模型进行特征值屈曲分析，将特征 值屈曲变形位移按固定比例（本文比例为0.1）缩小作为初始缺陷施加到原模型，再通过 [8] 弧长法进行非线性屈曲计算 。 首先计算第i 阶特征值屈曲模态对应的特征值λ ，由如下方程求得： i (K +λK )v 0 (1) 0 i  i 其中K 0 是基态下的刚度矩阵；K  为由于增量载荷作用下生成的微分初始应力与载荷的 刚度矩阵；λ 为特征值；v 为特征值λ 对应的特征向量，即为屈曲模态变形形状；i 指代 i i i 屈曲模态阶数。通过方程（1）求出屈曲模态，再将不同的屈曲模态按比例缩小（本文比例 为0.1）作为初始位移缺陷施加到原模型进行非线性屈曲计算。 其次应用弧长法进行非线性屈曲计算。弧长法示意图如图1所示。假设第i 子步已经 收敛于点（v