焊接钢圆柱薄壳在风荷载作用下屈曲性能研究

陈建生

摘要：钢筒仓广泛应用于采矿、建材、电力和粮食生产等领域，同时也常作为运输系统（如码头、港口）的散料中转站。由于体积庞大，钢筒仓结构中的圆柱薄壳通常是由许多卷成弧形的钢板用大量的短竖向焊缝和连续的环向焊缝连接制作而成的。目前，对钢筒仓圆柱薄壳屈曲性能的研究大多针对均匀荷载作用，所采用的缺陷大多是轴对称凹陷的缺陷形式，对于风荷载作用下考虑实际缺陷的多焊缝圆柱薄壳的屈曲性能以及焊接残余应力对其屈曲性能的影响未见相关研究报道。本文采用大型通用有限元ABAQUS对风荷载作用下多焊缝钢圆柱薄壳的屈曲性能以及焊接残余应力在圆柱薄壳屈曲中所起的作用进行研究。

关键词：圆柱薄壳，多焊缝，风荷载，缺陷，残余应力

引言：由理論研究可知，钢筒仓薄壳结构在压力状态下的的整体稳定性能（包括初始几何缺陷和焊接残余应力）是高度敏感的，即便是极小的缺陷值也会导致结构屈曲强度的大幅下降。目前对于有缺陷的薄壳结构的稳定性研究大多局限于在均匀压力的荷载情况下。而实际情况中，壳体承受着不均匀或者局部化的荷载，例如风荷载、地基不均匀沉降等等。故本文将重点介绍圆柱薄壳在风荷载情况下的屈曲性能影响。

当筒仓满载时，其主要承受轴向荷载（自重远远大于风荷载），所以风载对结构的影响不大；但当筒仓卸料结束后或者装有少量储料时，风压对其起控制作用。故本文采用ABAQUS模拟风荷载作用下钢结构空筒仓的屈曲性能进行深入的研究。

数值模拟：为减少计算成本，本文有限元模型的几何尺寸：圆柱壳半径 ，壁厚 ，高 ，即 ， 。假定其两端的约束情况为简支边界（在实际工程中，筒仓结构在其仓壁的上部设有锥形顶盖，下部设有漏斗，由于其自身较大的面内刚度可以有效地约束住仓壁上下边界的径向变形，因此在薄壳的上边界约束其径向位移和沿环向的转动自由度，在下边界约束其径向位移、竖向位移和沿周向、竖向的转动自由度）。

薄壳所用的材料选定为典型的钢材，弹性模量为 ，泊松比为 。由于通用三维壳单元S4在分析中考虑了壳体横向剪力和剪切应变，并克服了剪力自锁及沙漏数值问题，故模型采用S4单元。壳截面积分采用ABAQUS缺省设置的辛普森法，设9个截面积分点。

网格收敛性分析：在数值模拟方法中，有限元模型的计算精度和计算成本，与模型的网格收敛性有密切关系。网格收敛性与网格划分大小有直接关系。因此，考虑模型的网格收敛性原则为：选取一定的网格密度试算，逐步细化网格密度，直至计算结果与足够细化的模型分析结果相近，即可认为该网格密度为最优网格划分方式。在本模型中，网格密度与圆柱薄壳的线性竖向弯曲波长 相关，表达式为：

（1-1）

根据本模型的尺寸，得到线性竖向弯曲波长为 。Hubner曾指出，较优的网格密度至少需要5个单元表示一个 。在表1-1中，分别采用 、 、 、 得到完善壳的线性特征值分析的屈曲临界荷载 ，从表中可看出，网格I为最优的网格密度。

图1-3 多条竖向焊缝的凹陷模型

圆柱薄壳的临界屈曲荷载为 。由此，多条竖向焊缝产生的残余应力对圆柱薄壳的屈曲强度有一定的有利作用。

“十字”交叉型焊缝的分析

在竖向焊缝的基础上，本文研究下“十字”交叉型焊缝的屈曲分析。所谓的“十字”交叉型焊缝，就是在圆柱薄壳上同时具有单条环向焊缝和单条竖向焊

缝，两者相交形成“十字“形式。

经过分析计算，本文得到“十字”交叉型式焊缝的圆柱薄壳的临界屈曲荷载值为 ，而经过退火模型后得到的圆柱薄壳的临界屈曲荷载为 ，即残余应力的存在，使圆柱薄壳的临界荷载屈曲能力提高。这说明“十字”交叉型式焊缝产生的残余应力在工程设计中是有利的。

本文总结

本文研究了钢筒仓圆柱薄壳在风荷载作用下的屈曲性能以及焊接残余应力在圆柱薄壳屈曲中所起的作用进行了研究。现总结如下：

（1）钢圆柱薄壳在风荷载作用下，由于风压分布的不均匀性和受力方向的不同，因此钢圆柱薄壳的屈曲破坏基本发生在迎风面处。

（2）钢圆柱薄壳对初始缺陷具有一定的敏感性。建立有缺陷的模型，发现钢圆柱薄壳的临界屈曲荷载有所下降，这就证明钢圆柱薄壳对初始缺陷的敏感性。

（3）竖向焊缝产生的残余应力对钢圆柱薄壳的屈曲强度具有有利作用。这也为设计人员在工程设计上考虑残余应力的存在提供了一定的理论依据。

参考文献：

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