Численный анализ устойчивости при осевом сжатии вафельных цилиндрических оболочек в рамках линейного бифуркационного подхода в сопоставлении с экспериментом


Авторы

Анисимов С. А.*, Павлов В. Ф.**, Сазанов В. П.***

Самарский национальный исследовательский университет им. академика С.П. Королева, Московское шоссе, д. 34, г. Самара, Россия

*e-mail: ser85@bk.ru
**e-mail: sopromat@ssau.ru
***e-mail: sazanow@mail.ru

Аннотация

В статье представлены решения задач устойчивости при осевом сжатии трёх вафельных цилиндрических оболочек в рамках линейного бифуркационного подхода с использованием вычислительной модели, основанной на схеме численного интегрирования и гипотезе «размазывания», а также моделей, основанных на методе конечных элементов. Две из указанных оболочек имеют по три продольных сварных шва, которые обеспечивают соединение трёх составляющих каждую оболочку сегментов. Подобная технология изготовления оболочки может приводить к наличию у полученной оболочки начальных несовершенств (в виде заметных отклонений её реальной формы от идеальной цилиндрической формы), которые могут оказывать существенное влияние на величину критической нагрузки. Третья оболочка изготовлена по бесшовной технологии и имеет менее выраженные начальные несовершенства. Результаты расчёта на устойчивость каждой из указанных оболочек в рамках схемы «размазывания» сравниваются с результатами расчётов на основе метода конечных элементов и эмпирико-статистического метода, а также с имеющимися экспериментальными данными. Вычислительная модель, основанная на гипотезе «размазывания» и построенная с применением процедуры ортогональной прогонки в сочетании со схемой Кутта-Мерсона численного интегрирования, даёт результат близкий (в пределах 3%) к конечно-элементной модели. Сравнение результатов численного моделирования с экспериментом показывает хорошее согласование по величине критической нагрузки (в пределах 11%). Эмпирико-статистический метод даёт достаточно консервативную оценку величины критической нагрузки, занижая результат до 38% по сравнению с экспериментом.

Ключевые слова:

устойчивость при осевом сжатии; вафельная цилиндрическая оболочка; метод численного интегрирования; метод конечных элементов

Библиографический список

  1. Лизин В.Т., Пяткин В.А. Проектирование тонкостенных конструкций. - М.: Машиностроение, 1976. - 408 с.
  2. Егоров И.А. Учёт пластических деформаций при проектировании отсеков вафельного типа // Труды МАИ. 2022. № 122. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=164103. DOI: 10.34759/trd-2022-122-04
  3. Малинин Г.В. Методики расчета ребристых пластин на прочность и устойчивость // Труды МАИ. 2021. № 121. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=162655. DOI: 10.34759/trd-2021-121-08
  4. Фирсанов В.В., Во А.Х., Чан Н.Д. Исследование продольно подкрепленных цилиндрических оболочек под действием локальной нагрузки по уточненной теории // Труды МАИ. 2018. № 104. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=102130
  5. Анисимов С.А. Численный анализ устойчивости при осевом сжатии вафельных цилиндрических оболочек из алюминиевых сплавов // Труды МАИ. 2024. № 134. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=178880
  6. Анисимов С.А., Сухомлинов Л.Г., Токарев А.Е. Прогноз критических нагрузок сжимаемых в осевом направлении вафельных цилиндрических оболочек в сопоставлении с экспериментальными данными // Космонавтика и ракетостроение. 2024. №1 (134). С. 58-67.
  7. Wang B., Tian K., Hao P., Zheng Y., Ma Y., Wang J. Numerical-based smeared stiffener method for global buckling analysis of grid-stiffened composite cylindrical shells // Composite Structures. 2016. No. 152. P. 807-815. DOI: 10.1016/j.compstruct.2016.05.096
  8. Незванов Д.Н. Устойчивость цилиндрических оболочек вафельного типа при осевом сжатии // В сб.: Вопросы прочности элементов авиационных конструкций. – Куйбышев: КуАИ, 1971. С. 119-132.
  9. Wang B., Du K., Hao P., Zhou C., Tian K. et al. Numerically and experimentally predicted knockdown factors for stiffened shells under axial compression // Thin-Walled Structures. 2016. No. 109. P. 13-24. DOI: 10.1016/j.tws.2016.09.008
  10. Wagner H.N.R., Huhne C., Niemann S., Tian K., Wang B., Hao P. Robust knockdown factors for the design of cylindrical shells under axial compression: Analysis and modeling of stiffened and unstiffened cylinders // Thin-Walled Structures. 2018. No. 127. P. 629-645. DOI: 10.1016/j.tws.2018.01.041
  11. Tian K., Wang B., Hao P., Waas A.M. A high-fidelity approximate model for determining lower-bound buckling loads for stiffened shells // International Journal of Solids and Structures. 2018. No. 148-149. P. 14–23. DOI: 10.1016/j.ijsolstr.2017.10.034
  12. Wang B., Yang M., Zeng D., Hao P., Li G., Li Y., Tian K. Post-buckling behavior of stiffened cylindrical shell and experimental validation under non-uniform external pressure and axial compression // Thin-Walled Structures. 2021. No. 161. P. 1-12. DOI: 10.1016/j.tws.2021.107481
  13. Hilburger M.W. Developing the next generation shell buckling design factors and technologies // in: Proceedings of the 53rd AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASC structures, structural dynamics and materials conference, Honolulu. 2012. DOI: 10.2514/6.2012-1686
  14. Almroth B.O., Holmes A.M., Brush D.O. An experimental study of the buckling of cylinders under axial compression // Experimental Mechanics. 1964. Vol. 4, No. 9. P. 263-270. DOI: 10.1007/BF02323088
  15. Tennyson R.C. A note on the classical buckling load of circular cylindrical shells under axial compression // AIAA Journal. 1963. Vol. 1, No. 2. P. 475-476.
  16. Конох В.И., Красовский В.Л. О влиянии изолированной локальной вмятины на устойчивость гладких тонкостенных цилиндров при продольном сжатии // Сопротивление материалов и теория сооружений. 1973. № 21. С. 114–121.
  17. Евкин А.Ю., Красовский В.Л., Маневич Л.И. Устойчивость продольно сжатых цилиндрических оболочек при локальных квазистатических воздействиях // Известия АН СССР. Механика твердого тела. 1978. № 6. С. 96-100.
  18. Krasovsky V., Marchenko V., Schmidt R. Deforming and buckling of axially compressed cylindrical shells with local loads in numerical simulations and experiments // Thin-Walled Structures. 2011. Vol. 49, P. 576-580. DOI: 10.1016/j.tws.2010.09.009
  19. Hilburger M.W., Waters W.A.J., Haynie W.T. Buckling Test Results from the 8-Foot-Diameter Orthogrid-Stiffened Cylinder Test Article TA01, 2015 [Test Dates: 19-21 November 2008], NASA/TP-2015-218785, L-20490, NF1676L-20067.
  20. Hilburger M, Lindell MC, Waters WA, Gardner NW. Test and Analysis of Buckling Critical Stiffened Metallic Launch Vehicle Cylinders // In: 2018 AIAA/ASCE/AHS/ ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. January 2018. DOI: 10.2514/6.2018-1697
  21. Rudd M.T., Hilburger M.W., Lovejoy A.E., Lindell M.C., Gardner N.W., Schultz M.R. Buckling response of a large-scale, seamless, orthogrid-stiffened metallic cylinder // in: 2018 AIAA/ASCE/AHS/ASC Structures, Structural Dynamics, and Materials Conference. January 2018. DOI: 10.2514/6.2018-1987
  22. Анисимов С.А. Павлов В.Ф., Сазанов В.П. О границах применимости модели конструктивно-ортотропной оболочки в задачах расчёта на устойчивость при осевом сжатии вафельных цилиндрических оболочек // Динамика и виброакустика. 2024. Т. 10, № 2. C. 49-58. DOI: 10.18287/2409-4579-2024-10-2-49-58


Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2025

 Вход