Анализ устойчивости ортотропной цилиндрической оболочечной конструкции в программном комплексе ANSYS Mechanical APDL

Петров Д.С., Семенов А.А. Анализ устойчивости ортотропной цилиндрической оболочечной конструкции в программном комплексе ANSYS Mechanical APDL // Научно- технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2023. Т. 23, № 3. С. 618–627. doi: 10.17586/2226-1494-2023-23-3-618-627

Введение. Большепролетные оболочечные конструкции широко используют в различных областях промышленности. Для обеспечения безопасных режимов их работы возникает необходимость разработки расчетных методик и исследования оболочечных конструкций на устойчивость под действием прикладываемой нагрузки. Традиционно эти данные получают с использованием аналитических и полуаналитических методов. Описан процесс определения критических нагрузок потери устойчивости и получения зависимостей «нагрузка–прогиб» с учетом больших деформаций. Предложена методика анализа устойчивости ортотропных оболочечных конструкций на основе функциональных возможностей конечноэлементных программных комплексов. Метод. Расчетная модель цилиндрической оболочечной конструкции представлена на основе метода конечных элементов в программном комплексе ANSYS Mechanical APDL 2020. Проведены вычислительные эксперименты и сравнение устойчивости конструкций из различных материалов: сталь С345, оргстекло (полиметилметакрилат), углепластик M60J/Epoxy, стеклопластик Т-10/УПЭ22-27. Основные результаты. Показано, что программный комплекс ANSYS Mechanical APDL 2020 позволяет получить необходимые данные для построения зависимостей «нагрузка–прогиб». Для анализа больших деформаций комплекс можно использовать только при достаточно детальном описании параметров расчета и сделанных допущений для разных материалов. Получены значения критической равномерно распределенной нагрузки. Представлены графики зависимости прогиба от нагрузки. Исследован процесс деформирования с учетом геометрической нелинейности и собственного веса оболочечных конструкций. Обсуждение. Результаты расчетов могут быть применены для автоматизации расчетов оболочечных конструкций как альтернатива аналитическим методам.

1. Наширалиев Ж.Т., Каргаева А.Т. Трудности проектирования и строительства пространственных тонкостенных оболочек // Academy. 2019. № 1(40). С. 17–19.
2. Антипов А.А., Артемьева А.А., Баженов В.Г., Жестков М.Н., Кибец А.И. Численное моделирование задачи устойчивости перфорированных оболочек // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. 2015. № 1. С. 21–30. https://doi.org/10.15593/perm.mech/2015.1.02
3. Шклярчук Ф.Н. О задачах устойчивости упругих оболочек под действием гидростатического давления // Материалы XXI международного симпозиума Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред им. А.Г. Горшкова. 2015. С. 208–211.
4. Паймушин В.Н. О формах потери устойчивости цилиндрической оболочки при внешнем боковом давлении // Материалы XXI международного симпозиума Динамические и технологические проблемы механики конструкций и сплошных сред им. А.Г. Горшкова. 2015. С. 157–159.
5. Дубровин В.М., Бутина Т.А. Моделирование динамической устойчивости цилиндрической оболочки при действии осевой сжимающей нагрузки // Математическое моделирование и численные методы. 2015. № 2(6). С. 46–57.
6. Петров М.В., Федорова Т.Г., Гоник Е.Г. Экспериментальное исследование потери устойчивости тонкостенных оболочек при чистом изгибе // Вестник Чувашского государственного педагогического университета им. И.Я. Яковлева. Серия: Механика предельного состояния. 2015. № 2(24). С. 119–125.
7. Бахтиева Л.У., Тазюков Ф.Х. Об устойчивости цилиндрической оболочки при осевом сжатии // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2015. № 1. С. 85–88.
8. Митрофанов О.В. Оценка устойчивости цилиндрических композитных оболочек при кручении с учетом использования гипотез модифицированной полубезмоментной теории // Актуальные проблемы современной науки. 2018. № 5(102). С. 267–271.
9. Ashok R.B., Srinivasa C.V., Suresh Y.J., Prema Kumar W.P. Buckling behaviour of cylindrical panels // Nonlinear Engineering. 2015. V. 4. N 2. P. 67–75. https://doi.org/10.1515/nleng-2014-0019
10. Li D., Qing G., Liu Y. A layerwise/solid-element method for the composite stiffened laminated cylindrical shell structures // Composite Structures. 2013. V. 98. P. 215–227. https://doi.org/10.1016/j.compstruct.2012.11.013
11. Calladine C.R. Shell buckling, without ‘imperfections’ // Advances in Structural Engineering. 2018. V. 21. N 16. P. 2393–2403. https://doi.org/10.1177/1369433217751585
12. Błachut J. Buckling of externally pressurized steel toriconical shells // International Journal of Pressure Vessels and Piping. 2016. V. 144. P. 25–34. https://doi.org/10.1016/j.ijpvp.2016.05.002
13. Feng K., Xu J. Buckling analysis of composite cylindrical shell panels by using Legendre polynomials hierarchical finite-strip method // Journal of Engineering Mechanics. 2017. V. 143. N 4. P. 04016121. https://doi.org/10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0001181
14. Qu Y., Chen Y., Long X., Hua H., Meng G. A modified variational approach for vibration analysis of ring-stiffened conical-cylindrical shell combinations // European Journal of Mechanics – A/Solids. 2013. V. 37. P. 200–215. https://doi.org/10.1016/j.euromechsol.2012.06.006
15. Trushin S., Goryachkin D. Numerical evaluation of stress-strain state of bending plates based on various models // Procedia Engineering. 2016. V. 153. P. 781–784. https://doi.org/10.1016/j.proeng.2016.08.242
16. Petrov D., Semenov A. Buckling of cylindrical shell panels in ANSYS // AIP Conference Proceedings. 2020. V. 2315. N 1. P. 020032. https://doi.org/10.1063/5.0036813
17. Куимова Е.В., Труфанов Н.А. Численное прогнозирование эффективных термовязкоупругих характеристик однонаправленного волокнистого композита с вязкоупругими компонентами // Вестник Самарского государственного университета. Естественнонаучная серия. 2009. № 4(70). С. 129–148.
18. Соловьев А.Н., Зиборов Е.Н., Шевцов С.Н. Определение упругих свойств армированных композиционных материалов на основе конечно-элементного моделирования // Наука Юга России. 2016. Т. 12. № 2. С. 3–10.
19. Советова Ю.В., Сидоренко Ю.Н., Скрипняк В.А. Многоуровневый подход к исследованию влияния объемного соотношения компонентов волокнистого однонаправленного углепластика на его механические характеристики // Вестник Томского государственного университета. Математика и механика. 2014. № 2(28). С. 77–89.
20. Трусов П.В., Швейкин А.И. Многоуровневые модели моно- и поликристаллических материалов: теория, алгоритмы, примеры применения. Новосибирск: Изд-во СО РАН, 2019. 605 с. https://doi.org/10.15372/MULTILEVEL2019TPV
21. Швейкин А.И., Шарифуллина Э.Р., Трусов П.В., Пушков Д.А. Об оценке чувствительности статистических многоуровневых моделей поликристаллических металлов к возмущениям параметров // Вычислительная механика сплошных сред. 2018. Т. 11. № 2. С. 214–231. https://doi.org/10.7242/1999-6691/2018.11.2.17
22. Волынин А.Р. Сравнительный расчет прочности и устойчивости подкрепленных оболочек в программных комплексах «Оболочка» и ANSYS // Вестник гражданских инженеров. 2010. № 2(23). С. 38–43.
23. Молчанов А.И., Молчанова Е.А. Решение инженерно-технических задач средствами ANSYS // Вестник Хакасского государственного университета им. Н.Ф. Катанова. 2012. № 1. С. 114–120.
24. Мануйлов Г.А., Косицын С.Б., Бегичев М.М. Исследования устойчивости упругих пластин и оболочек при помощи конечно-элементного моделирования // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений. 2011. № 1. С. 58–65.
25. Баранова Д.А., Волынин А.Л., Карпов В.В. Сравнительный анализ расчета прочности и устойчивости подкрепленных оболочек на основе ПК оболочка и ПК ANSYS // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Математика. Механика. Информатика. 2010. Т. 10. № 4. С. 23–27. https://doi.org/10.18500/1816-9791-2010-10-4-23-27
26. Колесников М.В. Численный анализ напряженно-деформированного состояния цилиндрической оболочки при неоднородном в окружном направлении продольном сжатии // Вісник Придніпровської державної академії будівництва та архітектури. 2011. № 11-12(164-165). С. 66–72.
27. Смердов А.А., Буянов И.А., Чуднов И.В. Анализ оптимальных сочетаний требований к разрабатываемым углепластикам для крупногабаритных ракетно-космических конструкций // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2012. № 8. С. 70–77.
28. Тышкевич В.Н. Выбор критерия прочности для труб из армированных пластиков // Известия Волгоградского государственного технического университета. 2011. № 5(78). С. 76–79.
 

This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License