环肋圆锥壳开孔应力特性分析

　　 圆锥壳开孔与圆柱壳开孔一样具有重要的工程应用，但是由于圆锥母线与中心线的夹角，其开孔的力学特性比圆柱开孔复杂。为了适应特定环境的需要，圆锥壳开孔中心线几乎可以与锥壳中心线平行，而圆柱壳是无法实现的。在外压作用下，圆锥壳开孔会导致应力集中，但应力集中特点以及应力集中的量值均没有进行过系统的研究。本文以圆柱壳正交开孔的理论分析为基础，研究圆锥壳开孔中具有环肋的圆锥壳开孔应力特性，为圆锥壳开孔设计提供理论依据。

　　0 引言

　　圆锥壳开孔与圆柱壳开孔一样具有重要的工程应用，但是由于圆锥母线与中心线的夹角，其开孔的力学特性比圆柱开孔复杂。为了适应特定环境的需要，圆锥壳开孔中心线几乎可以与锥壳中心线平行，而圆柱壳是无法实现的。在外压作用下，圆锥壳开孔会导致应力集中，但应力集中特点以及应力集中的量值均没有进行过系统的研究。本文以圆柱壳正交开孔的理论分析为基础，研究圆锥壳开孔中具有环肋的圆锥壳开孔应力特性，为圆锥壳开孔设计提供理论依据。

　　1 基本参数定义

　　与圆柱壳开孔一样，圆锥壳开孔分为正交开孔和偏斜开孔 2 种形式，但是由于圆锥壳自身的特殊性，正交开孔和偏斜开孔与圆柱壳存在一定差异。圆锥壳的正交开孔可定义为与圆锥壳母线垂直的开孔，即α=90°，而将开孔中心线垂直于圆锥壳中心线的开孔定义为一类特殊的开孔;圆锥壳偏斜孔指开孔中心线与锥壳中心线或母线不垂直的孔，圆柱壳偏斜孔主要是指开孔中心线偏离圆柱壳径向线的孔。圆锥壳开孔的典型形式及参数如图1 所示。

　　为便于各方案比较，计算中保持圆锥壳及开孔的某些结构参数不变，具体规定如下：圆锥壳半锥角tanβ=0.4;开孔中心位于圆锥段中心，z=L/2;开孔中心所在锥壳截面圆半径 Rz=3 000 mm;圆锥壳厚度 t=20 mm;围栏厚度 t1=24 mm。

　　2 有限元模型的建立

　　本文主要分析理想圆锥壳开孔应力集中系数的大小及应力分布的规律，不对圆锥壳开孔结构进行强度校核，因此结构的计算载荷采用单位载荷，即计算压力P=1 MPa。

　　圆锥壳开孔有限元模型全部采用shell63 单元，开孔区域网格划分较小，并向四周过渡。模型小端设置封板，大端刚性固定，小端仅留轴向自由度以及转动自由度。

　　3 有限元分析 3 种开孔对环肋圆锥壳的影响

　　3.1 不切断肋骨

　　开孔中心线垂直于锥壳中心线，即第一类开孔，且开孔尺寸较小，设计时使开孔避开肋骨，肋骨保持连续。根据这一原则，确定如下具有环肋的结构参数：