鞍式支座对圆柱壳体外压承载能力的影响

    在工程实践中，许多卧式容器常承受外压作用，当外压载荷增大到某一数值时，壳体会突然变形发生失稳［1］。目前国内对外压薄壁圆筒失稳的分析是按照理想圆柱壳小挠度理论进行的，这种理论没有考虑到失稳本质上的几何非线性问题，同时也忽略了实际存在的一些结构缺陷。因此，理想结构和实际结构在外压承载能力上的差距值得研究，魏冬雪等［2］曾对承受外压和支座作用的碟形封头进行了线性和非线性稳定性分析，结果发现对于常见的三支座或四支座壳体来说，支座的存在对封头的临界失稳外压几乎没有影响; 支座上有无垫板对封头的临界失稳外压影响不大，但垫板能够提高封头的临界失稳轴向力。对于圆柱形壳体，研究主要集中在单端夹持的圆柱壳体和带有不同种类加强圈的壳体的外压失稳分析［3 ～6］，但对于卧式容器来说，鞍式支座的存在是否影响其外压承载能力，目前还未见详细的研究报道。笔者采用有限元方法，以一台卧式容器为例，研究鞍式支座的存在对筒体外压稳定性的影响。

    1 卧式容器的整体结构

    笔者所研究的卧式容器其筒体内径为2 800mm，厚 18mm，筒体长 8 000mm，采用标准椭圆封头，筒体和封头材料均为 Q345R，支座选用JB / T4712． 1-2007 中所示的 BI 型鞍座，材料为Q235-B。建立的卧式容器整体结构几何模型如图 1 所示，鞍座支座几何模型如图 2 所示。

    2 理论计算

    根据理想圆柱壳小挠度理论对卧式容器的筒体进行稳定性分析，计算其临界失稳外压。

    筒体的计算长度 L 为 8 466． 7mm，临界长度Lcr为 41 649． 4mm( L ＜ Lcr) ，该筒体属于短圆筒，因此其临界失稳外压为:

    3 有限元数值模拟

    3． 1 有限元模型的建立

    采用 ANSYS 软件进行有限元分析，由于该结构均具有薄壳几何特征，因此采用 shell181 单元进行建模、网格划分和应力分析［7］。

    分别采用几何线性( 特征值屈曲) 和非线性分析方法对卧式容器筒体稳定性进行研究，具体包括 4 种分析内容: a． 无鞍座结构中，筒体的临界失稳外压; b． 有鞍座结构中，不考虑支座反力时，筒体的临界失稳外压; c． 有鞍座结构中，考虑由容器自重产生的支座反力时，筒体的临界失稳外压;d． 有鞍座结构中，考虑由容器充水重产生的支座反力时，筒体的临界失稳外压。

    无鞍座结构和有鞍座结构的有限元网格模型如图 3、4 所示。

    3． 2 载荷与边界条件

    在 4 种分析内容中，左侧封头与筒体连接处的全部结点上施加全约束。对于分析内容 c，卧式容器的自重为 14 320kg，鞍座底板上的全部结点施加由容器自重产生的支座反力; 对于分析内容 d，卧式容器的充水重为 71 320kg，鞍座底板上全部结点施加由容器充水重产生的支座反力。