复杂薄壁箱形结构强度数值模拟及试验验证

　　0前言

　　薄壁箱形结构在工程上的应用非常广泛，装配式不锈钢水箱就是其中之一。装配式不锈钢水箱主要由薄外壳和内部强化拉筋骨架组成(图1)，具有轻质高强、组装方便、易于保暖且性价比高等诸多优点，市场前景广阔。

　　KETELKO等^【1一5]曾对薄壁箱梁和薄壁柱壳作过大量研究，得到了薄壁箱形结构在承受拉压、弯曲和扭转载荷时的力学响应、承载能力和失效模式等;FERRERo等[6l对复合材料箱梁进行了研究，并给出了其近似的解析解;MEGSON等件^9]提出了预测薄壁箱梁失效模式和极限载荷的有限元模型，并进行了优化设计。但是，关于以承受内压载荷为主的复杂薄壁箱形结构的研究，相关的文献报道不多。王元华曾对快装式矩形薄壁箱体的简化模型进行过结构分析和计算^。

　　对于复杂薄壁箱形结构在内压载荷作用下的变形和应力，难以通过弹塑性力学理论获得解析解。中基于有限元软件MSC.Mare/Patran，对装配式不锈钢水箱这种典型的复杂薄壁箱形结构在内压载荷下的力学响应和承载能力进行数值分析和试验验证，数值模拟结果与试验数据较好吻合，可为这类结构的总体及局部的优化设计、内部强化拉筋结构的合理布置提供技术支持，并进一步为指导和规范其设计制造提供理论基础。数值模型薄壁装配式不锈钢水箱的典型结构是将模压板(图2)通过焊接(TIG)组装成箱壳，模压板的厚度约1.2^4.0 mm，带有球冠、加强槽和折边，由食品级不锈钢薄板经冷冲压而成;箱体内部纵横布置有强化拉筋(图3)，以增加箱体的刚度和强度，使得箱壳可以做的很薄，其当量直径与壳体厚度的比值通常在I0³一I0⁴ 。

　　数值模型采用容积为8 m，的装配式不锈钢水箱模型。为了研究拉筋角度和箱体壁厚与箱体承载能力之间的关系，数值分析共采用20组计算模型，即，斜拉筋与主拉筋之间的角度取4种情况:150,300, 450, 600;壳体厚度取5种情况:1.5 mm, 2.0mm, 2.5 mm, 3.0 mm, 4.0 mm。其中以模压板厚度S = 2.0 mm、拉筋间角度为45。的数值模型(与试验结构完全一致)作为基准模型(以下简称模型箱体)，以检验数值计算的可靠性和有效性。

　　由于薄壁箱形结构内部拉筋骨架并非完全对称布置，故采用了箱体的整体有限元模型。这样做计算量较大，但能得到更为准确的力学响应。

　　对于装配式不锈钢水箱这种典型的复杂薄壁箱形结构，壳体模压板主要承受与板面垂直的横向载荷;内部各强化拉筋以轴向拉伸载荷为主，但在其两端处，由于箱体在压力载荷下的变形，还将受到相当程度的横向弯曲载荷;相对于其余各维尺度来说，壳体和拉筋的厚度尺寸很小。考虑到箱壳和拉筋的上述受力特点与几何结构特征，分别采用了薄壳单元和梁单元进行模拟。