一種開孔殼體補強度計算方法
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摘 要：對于承受壓力的殼體要求開孔用以安裝電子產品，由于開孔使得殼體的強度明顯削弱。開孔殼體的補強問題不僅影響了殼體是否安全，而且也是整體系統結構靜力學優化的關鍵環節之一。利用MSC.Patran建立SHELL單元模型，在開孔區域增加殼體厚度，在孔邊界按柱坐標徑向增加邊殼體單元，簡化了計算工作量。利用有限元分析軟件MSC.Nastran進行強度計算。通過開孔區域補強殼體優化可以得出孔邊應力的最優結果，為產品設計提供技術支持。
關鍵詞：開孔圓筒;有限元分析;補強
中圖分類號：TH49 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）07-0127-03
Abstract： For the shell under pressure， the opening is required to install electronic products， and the strength of the shell is obviously weakened because of the opening. The reinforcement of the perforated shell not only affects the safety of the shell， but also is one of the key links in the statics optimization of the whole system. The SHELL element model is established by MSC.Patran， the shell thickness is increased in the open hole area， and the edge shell element is added radially according to the column coordinate at the hole boundary， which simplifies the calculation workload. The finite element analysis software MSC.Nastran is used to calculate the strength. Through the optimization of the reinforcement shell in the opening area， the optimal result of the hole edge stress can be obtained， which provides technical support for the product design.
Keywords： perforated cylinder; finite element analysis; reinforcement
引言
置于水下的圓柱殼體由于受到水壓作用而存在強度剛度問題。受壓下的殼體常需開設各種孔口，如儀表、部件的安裝孔、檢查孔等;開孔殼體存在著強度和剛度的削弱。開孔殼體的補強問題不僅影響了殼體是否安全，而且也是整體系統結構靜力學優化的關鍵環節之一[1]。利用MSC.Patran[2]建立SHELL單元模型對開孔殼體進行了強度分析，把開孔影響區域作為一個補強模塊，通過改變補強模塊的厚度，計算得到滿足工程要求的設計。
1 有限元計算模型
根據結構特點，建立了兩種有限元計算模型，一種模型是沒有補強的原始模型;另一種是在原有模型的基礎上進行補強。圖1為開孔圓柱殼體剖面示意圖，圖2為有限元計算模型圖，約束形式為圓柱殼體兩端全約束，載荷形式為圓柱殼體外部承受均布壓力。
圖3為有補強的開孔圓柱殼體結構剖面圖。補強模型建立分為兩步：第一步，不從開孔圓向外延伸20mm，建立殼體上的圓環并進行網格劃分;第二步，對開孔圓邊界線進行BAR單元分網，同時建立局部柱坐標系，在局部柱坐標系把BAR單元按10mm長度、5等份拉伸（Extrude）成shell單元[3]，最后進行重合節點的合并。
圖4為補強有限元模型圖，殼體補強有限元網格與殼體原有限元網格完全重合，重合區域按兩部分殼單元分別輸入厚度，這樣就無需進行殼單元的偏置。由于補強模型由殼單元建立，所以，只要簡單地修改殼單元的厚度就能夠得到工程上限制的圓柱殼體開孔區域的最大應力。
2 數值仿真結果
圖5給出開孔殼體最大等效應力云圖，可以看出，開孔殼體最大等效應力為1730MPa，由于應力集中使得結構已經失穩，所以必須進行補強工作。
補強計算是通過改變補強模塊殼單元的厚度進行多次計算得到的，共進行了10次計算，圖6給出第10次計算開孔殼體最大等效應力云圖，最大值為136MPa;圖7給出補強模塊的最大等效應力云圖，最大值為163MPa，可以看出，最大等效應力已經滿足了設計要求。從圖中可以看出，結構的強度和剛度具有明顯的改善。
隨著補強模塊厚度改變增大，開孔殼體最大等效應力減小，表1給出補強模塊厚度按25%增大時，開孔殼體最大等效應力的變化，圖8給出開孔殼體最大等效應力與補強模塊厚度關系曲線，為無量綱值。
3 結論
利用有限元分析軟件可以很好解決圓柱殼體的開孔和補強問題。采用殼體結構進行補強操作簡單，由于殼單元厚度的參數化，用戶不用修改模型，也無須使用PCL編程就可以達到最優結果。該方法可以很好用于分析圓柱殼體的開孔和補強的力學特性，為工程設計帶來方便。
參考文獻：
[1]強保平.飛機結構強度地面試驗[M].北京：航空工業出版社，2014.
[2]MSC Software.Pastran reference[K].2012.
[3]張永昌.MSC/Nastran有限元分析理論基礎與應用[M].北京：科學出版社，2004.
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