大型真空消毒柜屈曲分析

　　压力容器的屈曲或失稳是指承受外压载荷的壳体当外压载荷增大到某一数值时,壳体会突然失去原来的形状,被压扁或出现壳体不能恢复原状的现象[1].外压载荷作用下,壳体往往在应力满足强度要求的情况下也会屈曲,因此,需要确定外压容器的临界载荷和其失稳状态,保证其不会发生破坏性的变形并改进其形体结构,提高容器抗失稳能力[2].但对于某些受外压的压力容器,由于其结构的特殊性,在受到超过临界载荷的外载荷作用下会产生后屈曲行为.容器受后屈曲的影响使容器失稳但并不会马上被压垮,还能继续承受更大的载荷.本文所讨论的真空消毒柜就是一个受后屈曲影响的容器.

　　1　模型的建立

　　1.1　问题的描述

　　某工程中的真空消毒柜为箱体结构,在表面上焊有截面为矩形的夹套.当消毒柜工作时,夹套通过热流使该真空设备升温,从而达到消毒目的.但夹套同时也起到加强筋的作用,大大提高了设备的强度和抗屈曲能力.

　　该真空消毒柜箱体的尺寸为6 560×2 850×2 700 m,壁厚为5 mm.夹套的矩形截面尺寸为200×150×8 m,顶部开有一圆形接管192×8mm2,左右两边各有一个方形接管182×168 m.由于门为独立的结构,对门的分析另外考虑,在此不对门进行分析,但是,门对箱体的作用力已考虑在内,即在箱体上施加门的等效端面力.其简图如图1所示,基本参数如表1所示.

　　1.2　有限元模型的建立

　　对带夹套的消毒柜所建立的几何模型如图2所示.

　　采用大型有限元分析软件ANSYS11.0进行分析.由于消毒柜、夹套和接管都属于板壳结构,因此,有限元网格划分采用壳单元shell181,得到有限元模型节点总数为28 813,如图3所示.消毒柜的受力状况如图4所示.

　　1.3　边界条件及静力强度分析

　　根据消毒柜的实际边界条件对模型进行约束.在底部边上夹套一边加全约束,在箱体另一边的夹套边上仅约束y,z方向.其中,x为轴向方向,y为高度方向,z为宽度方向.材料属性为各向同性,材料参数如表2所示.

　　通过静力分析得到箱体的应力分布图,如图5和图6所示,其顶层和中间层的最大应力值分别为170.328,154.223 MPa.对于强度问题,文献[3]规定一次局部薄膜应力的值不得超过许用载荷的1.5倍,一次局部薄膜应力加二次应力的值不得超过许用载荷的3倍.由于本模型运用壳单元,结果显示顶层和中间层的最大值分别小于规定的值,则静力强度满足要求.

　　2　屈曲分析

　　2.1　理论解析法求临界载荷

　　由于本模型为非回转壳体,因此,使用能量分析法对其进行计算[4].能量分析法指从能量守恒原理出发,当壳体受外载荷而屈曲时,存储于壳体内的形变势能U应恒等于外力做的功W,即U=W.由此可求出壳体的临界载荷.该方法适用于不规则形状、非均匀荷载变截面以及各向异性材料等问题的求解.其临界失稳压力为[5]