3-8 楔体侧击预内压短薄圆柱壳的失效过程数值模拟

陈刚陈忠富李思忠

　　圆柱壳是工程中的常用构件。特别是在核工业、化工及石油工业中，对输气、输液管道及压力容器进行安全评估时，冲击加载圆柱壳的变形和破坏都是不可或缺的重要研究内容；在军事方面，潜艇、导弹、飞机等在某种程度也可简化为柱壳分析。在冲击载荷下结构可能产生非弹性大变形进而导致结构失效，研究圆柱壳在冲击载荷作用下的动态响应是具有较强工程背景的课题。结构在工作状态下，都承受有工作载荷，而对圆柱壳来说，其工作载荷一般是内部压力。针对在母线方向受到锋利楔体（刀片）侧向冲击的预内压圆柱形壳体，通过数值模拟的方法，考察撞击条件下预内压柱壳起裂及裂纹扩展的失效过程。

　　采用瞬态有限元程序Msc.Dytran进行计算分析，程序在空间离散采用拉格朗日方法，时间域离散采用中心差分时间积分法。在一般的算法中，在材料失效后采用单元消去的算法，这对模拟裂纹的扩展是有困难的，在此采用可断开联结方式来处理单元的失效，以期较好地模拟裂纹的扩展。其算法为，将相邻四个单元的共用结点（K）分开成4个结点（K₁，K₂，K₃，K₄），

　　运用前述方法对柱壳受撞击过程进行了数值分析。展示了内压柱壳在侧面局部撞击而导致的失效过程，柱壳在受撞击前受内部压力作用，有向外鼓出的趋势，受撞击后，在受撞击部位受到较大的作用力，侧面受撞击部位产生局部大变形，在楔体作用下向内变形，其中柱壳靠近楔体两端的部分的变形较中间大，首先在此产生裂纹，进而在柱壳的受楔体的作用线上产生裂纹；由于裂纹的产生，柱壳与楔体的相互作用力减少，柱壳在其内部压力的作用下柱壳侧壁向内变形部分又向外鼓出，并撕裂其相邻近的材料，导致裂纹沿柱壳轴线方向扩展；扩展到一定阶段后，其沿轴线方向的扩展被止住，裂纹分叉沿周向扩展。计算图像与实验结果在结构失效的特征上是一致的（如图2所示）。表明所采用的可断开联结方法较好地描述了结构的开裂及裂纹扩展的过程。裂纹的轴向止裂和分叉环向扩展机制有待进一步研究。