闭口薄壁杆件关键力学特性研究及其工程应用

摘要

薄壁结构与其他形式的结构相比具有重量轻，强度大，材料利用充分等特点，因此，在工程实践中得到广泛应用。目前，薄壁结构力学已然发展成为弹性力学的一个重要分支。本文对一种特殊的薄壁结构--薄壁杆件及其约束扭转理论和工程实际应用进行了分析和研究，主要取得以下几个方面的研究成果：
　　1.采用乌曼斯基薄壁杆件约束扭转经典理论与MSC.PATRAN/NASTRAN数值试验相结合的方法，对类椭圆截面闭口薄壁悬臂杆件的约束扭转问题展开了研究。通过大量的算例分析了类椭圆薄壁杆件几何尺度(即横截面长宽比，杆件壁厚，杆件长度)对约束扭转的扭转角计算精度的影响，获知在满足薄壁杆件几何定义基础上，当横截面长宽比不小于4/3时，理论值与试验值最大相对误差约为3％左右，满足工程实际要求，从而确定了本文推导的理论计算公式的适用范围。
　　2.综合分析大吨位起重机椭圆截面和大圆角矩形截面吊臂力学性能，提出了一种类椭圆截面的大吨位起重机吊臂结构。通过乌曼斯基理论计算其约束扭转翘曲系数，表明在自重相等、承载一致时，类椭圆截面吊臂较矩形截面吊臂拥有更优越的约束扭转性能。然后，通过类椭圆截面吊臂算例，计算分析了其约束扭转翘曲位移、翘曲正应力和临界扭矩等相关参数，为该型吊臂的工程应用提供了理论参考。
　　3.分别推导了实际工程中常见的五边形截面吊臂、六边形截面吊臂和八边形截面吊臂约束扭转参数计算公式，并基于MSC.PATRAN/NASTRAN数值试验，验证了理论计算公式的正确性。然后，通过算例获知了上述多边形截面吊臂影响约束扭转性能的关键点，以及约束扭转临界扭矩，以期为工程设计和结构改进提供理论支撑。最后，对以上四种吊臂的扭转性能做了综合比较，获知：五边形截面吊臂具有较好的约束扭转特性。而类椭圆截面吊臂约束扭转特性优于六边形截面和八边形截面吊臂。
　　4.借鉴桥梁工程的成果，提出了“Y”型薄壁刚构的门式起重机结构。基于ANSYS有限元分析表明，改进后结构的力学特性得到很好地提高；结合某轿车白车身振动模态分析工程实例，研究了薄壁杆件对白车身低阶弯扭模态的影响。以上工作展现了薄壁杆件和薄壁结构在工程中的应用，体现了研究薄壁杆件和薄壁结构力学特性在机械产品静态设计和动态分析中的重要地位。