压强作用复合材料圆锥壳缺陷敏感性研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文
摘 要
随着科技发展，轻型结构和薄壁结构被广泛使用，其安全问题一直是人们更加关心
的问题。薄壁结构的屈曲是主要破坏或失效模式，并直接威胁结构体系的安全。薄壁圆
柱壳和圆锥壳形储罐是目前较为常见的结构形式，其外载环境主要集中在轴向压力，外
压和侧向载荷等。在这些结构加工和安装过程中，局部缺陷和损伤会降低结构的承载能
力，因此对圆锥壳屈曲问题研究是很有必要。本文针对这些问题，并以含缺陷复合材料
开口圆锥壳结构为对象，采用数值模拟的方法研究在轴压和外压情况下壳体屈曲现象和
对承载力的影响等。通过对这些问题的研究，为工程设计提供重要的依据。
本文首先研究了在外压和轴压耦合情况下复合材料开口圆锥壳发生屈曲特征。建立
有限元数值计算模型，利用有限元分析软件对问题展开研究。在单独讨论锥壳体外压下
屈曲问题和轴压下屈曲问题的基础上，研究外压和轴压耦合情况下复合材料圆锥壳发生
屈曲现象。结果表明，内压的增加可提高壳体在轴向的承载力；外压的增加会降低壳体
的承载力；复合材料圆锥壳的外压对其轴向的承载力影响较大，因而在设计复合材料圆
锥壳容器中必须考虑外压因素。其次，分析了含缺陷复合材料圆锥壳发生屈曲的影响因
素。讨论了圆锥壳屈曲过程中的缺陷敏感性和壳体局部屈曲现象。含缺陷圆锥壳体会直
接降低承载力，缺陷对圆锥壳屈曲的影响程度与缺陷的位置和尺寸有关。结果表明，对
于同样的初始缺陷，当圆锥壳所受压强由内压到外压变化时，壳体的轴向临界载荷逐渐
下降，其中内压作用时的壳体所对应轴向临界载荷大于受外压时的屈曲载荷，同时也大
于无内外压的屈曲载荷，因此，适当增加圆锥壳的内压也是抗屈曲的措施之一；当缺陷
位于壳体中部时对壳屈曲的影响较大，而缺陷位置接近壳体两端时对壳屈曲的影响较小；
缺陷的尺寸较小时，其外压对结构的承载能力影响较大且开始屈曲的形式表现出整体屈
曲；而缺陷尺寸较大时，内压对结构的承载能力影响较大，其表现出从局部屈曲形式开
始。最后研究了含缺陷复合材料圆锥壳锥角对屈曲的影响规律。得到的临界载荷曲线说
明，无论内压和外压的大小还是缺陷的位置和程度，圆锥壳锥角对结构屈曲的影响都有
很大的。在一定的缺陷位置和外压情况下，获得了锥角和圆锥壳屈曲之间的对应关系。
研究中发现，锥角的临界角度约为 60 度和 15 度。当锥角在它们之间时，壳体承载力会
有较大的改变。所得到的 KDF 曲线为复合材料圆锥壳的设计提供了可靠的依据。

关键词：屈曲；复合材料；单点扰动载荷法；几何缺陷；压强；有限元
- I -
压强作用复合材料圆锥壳缺陷敏感性分析
Investigation on Buckling Behavior of Composite Conical Shells under
Pressure

Abstract
With the development of science and technology, lightweight structures and thin-walled
structures have been widely used, and their safety issues have attracted much attention.
Buckling of thin-walled structures is a major failure or failure mode and directly threatens the
safety of the structural system. Thin-walled cylindrical shells and conical shell-shaped storage
tanks are relatively common structural forms at present, and the external loading environment
is mainly concentrated on axial pressure, external pressure and lateral load. During the