華南理工大學(xué)土木與交通學(xué)院海外學(xué)者前沿講座第四十九期，我們邀請到來自英國巴斯大學(xué)結(jié)構(gòu)工程的助理教授王潔老師。本次講座中，王老師向我們介紹了金屬圓柱殼的橢圓化效應(yīng)，以及基本荷載情況下的橢圓化效應(yīng)的一系列詳細(xì)研究，并探討了未來的研究方向。

金屬圓柱殼廣泛應(yīng)用于土木工程建設(shè)和工業(yè)應(yīng)用，如風(fēng)力渦輪機(jī)支撐塔、圓形空心管結(jié)構(gòu)、工業(yè)管道等。薄壁結(jié)構(gòu)的特性導(dǎo)致幾何和材料非線性、缺陷和邊界條件之間具有復(fù)雜的相互作用。在當(dāng)前唯一可用的殼體設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)（EN 1993-1-6）中，對圓柱殼的分析方法主要是理想的線性屈曲分析和計算非線性分析，前者不能準(zhǔn)確的預(yù)測圓柱殼的真實(shí)力學(xué)性能，后者計算復(fù)雜而給結(jié)構(gòu)設(shè)計帶來困難。

因此，王老師一直致力于在“Reference Resistance Design”框架下為殼體開發(fā)適當(dāng)?shù)脑O(shè)計方法。圍繞這一長期目標(biāo)，王老師在本次講座中向我們解釋了殼體的橢圓化現(xiàn)象，并提出了彎曲作用下基本荷載工況的設(shè)計方程。橢圓化是薄壁圓柱管受彎時一種常見的幾何非線性現(xiàn)象。與工程設(shè)計廣泛使用的線性彈性抗力相比，根據(jù)不同的幾何形狀和加載條件，橢圓化現(xiàn)象可以降低高達(dá)50%的抗力。

首先，王老師向我們介紹了彈性圓柱殼橢圓化的三種失效模式和不同失效模式對應(yīng)的承載力計算方法。圓柱殼受荷的基本工況包括純彎曲荷載、彎曲+軸力和懸臂梁。針對這三種受荷工況，王老師采用數(shù)值模擬的方法對不同長度和截面尺度的圓柱殼開展了幾何非線性分析（GNA）和引入缺陷的幾何非線性分析（GNIA）。分析結(jié)果表明，當(dāng)圓柱殼較短時，在三種受荷工況下其失效模式主要為局部屈曲破壞，但是隨著圓柱殼長度的增加，其失效模式轉(zhuǎn)為橢圓化的破壞。在前兩種工況下，橢圓化的位置主要位于圓柱殼的跨中；在懸臂受荷工況下，隨著長度的增加，橢圓化的位置從跨中逐漸轉(zhuǎn)移到殼的端部。此外，王老師根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果，采用名義化的參數(shù)描述了圓柱殼橢圓化現(xiàn)象發(fā)生的位置及橢圓化程度。結(jié)果表明，橢圓化程度隨著圓柱殼名義長度的增加而增加。與懸臂工況相比，彎曲荷載下的圓柱殼的橢圓化程度更嚴(yán)重。對于，受彎曲和軸壓作用的圓柱殼，其橢圓化程度還與偏心率有關(guān)。

在介紹完橢圓化的失效模式后，王老師向我們介紹了她對不同受荷工況下發(fā)生橢圓化圓柱殼的承載力計算方法，這也是殼體設(shè)計中非常重要的問題。王老師發(fā)現(xiàn)，在純彎荷載下，由于長圓柱殼的橢圓化，其承載力幾近為短圓柱殼的50%，不同截面的殼體都表現(xiàn)出相似的規(guī)律。通過名義化殼體的幾何參數(shù)，王老師提出了純彎荷載下不同長度尺度圓柱殼承載力的折減系數(shù)。懸臂圓柱殼的力學(xué)性能表現(xiàn)出與純彎荷載下相似的規(guī)律。隨著殼體長度的增加，殼體的變形和承載從由剪力控制轉(zhuǎn)變?yōu)橛蓮澗乜刂?，王老師根?jù)不同幾何尺度圓柱殼承載力的衰減規(guī)律，提出了相應(yīng)的承載力折減系數(shù)。

此外，在實(shí)際工程中，殼體并不會與數(shù)值模擬中的模型完全一致，而是存在著加工和建造過程導(dǎo)致的諸多缺陷。因此，王老師還開展了引入缺陷后圓柱殼的橢圓化承載力的研究。數(shù)值分析結(jié)果表明，不同受荷工況下橢圓化圓柱殼的承載力均隨著缺陷程度的增加而降低。王老師通過對完美模型結(jié)果進(jìn)行缺陷后折減的方式，考慮缺陷對圓柱殼橢圓化承載力的影響。

最后，王老師向我們介紹了考慮材料彈塑性后殼體橢圓化的參考承載力設(shè)計方法（Reference Resistance Design，RRD）和RRD框架所需參數(shù)的表征。RRD設(shè)計方法已納入新版本的EN 1993-1-6中。該設(shè)計框架提出了殼體結(jié)構(gòu)的承載力曲線（Capacity curve），該曲線將其無量綱承載力與其無量綱長細(xì)比聯(lián)系起來。為了簡化計算，王老師優(yōu)化了RRD設(shè)計框架承載力曲線的橫坐標(biāo)，然后通過數(shù)值模擬結(jié)果校準(zhǔn)出不同荷載工況下采用RRD框架所需的參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)圓柱殼快速、方便和準(zhǔn)確的設(shè)計。王老師依據(jù)RRD框架所提出的圓柱殼體設(shè)計方法已被納入EN 1993-1-6 Annex E (Section E.1.2)中。

通過王老師的講座，我們可以認(rèn)識到金屬圓柱殼橢圓化的現(xiàn)象及其本質(zhì)。橢圓化是殼體設(shè)計的一個主要部分，作為工程師的我們，必須正確地理解與認(rèn)識這種現(xiàn)象，以便獲得安全和高效的設(shè)計。此外，王老師在開展圓柱殼橢圓化研究的過程中，對參數(shù)分析的名義化處理和規(guī)律的總結(jié)方法值得我們科研工作者借鑒和學(xué)習(xí)。王老師的研究系統(tǒng)深刻、思路清晰、講解深入淺出，讓我們受益匪淺。

講座鏈接：【The SIR Frontiers】學(xué)術(shù)前沿系列講座第四十九期：“連續(xù)金屬殼體結(jié)構(gòu)”

相關(guān)文章請見王潔老師官方主頁：https://researchportal.bath.ac.uk/en/persons/jie-wang

來源于多樣化結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)室

文稿｜解兵林 姚顯花 毛煒寧

排版｜李嘉晨

審核｜胡 ?楠