讲座回顾：连续金属壳体结构的设计

华南理工大学土木与交通学院海外学者前沿讲座第四十九期，我们邀请到来自英国巴斯大学结构工程的助理教授王洁老师。本次讲座中，王老师向我们介绍了金属圆柱壳的椭圆化效应，以及基本荷载情况下的椭圆化效应的一系列详细研究，并探讨了未来的研究方向。

金属圆柱壳广泛应用于土木工程建设和工业应用，如风力涡轮机支撑塔、圆形空心管结构、工业管道等。薄壁结构的特性导致几何和材料非线性、缺陷和边界条件之间具有复杂的相互作用。在当前唯一可用的壳体设计标准（EN 1993-1-6）中，对圆柱壳的分析方法主要是理想的线性屈曲分析和计算非线性分析，前者不能准确的预测圆柱壳的真实力学性能，后者计算复杂而给结构设计带来困难。

因此，王老师一直致力于在“Reference Resistance Design”框架下为壳体开发适当的设计方法。围绕这一长期目标，王老师在本次讲座中向我们解释了壳体的椭圆化现象，并提出了弯曲作用下基本荷载工况的设计方程。椭圆化是薄壁圆柱管受弯时一种常见的几何非线性现象。与工程设计广泛使用的线性弹性抗力相比，根据不同的几何形状和加载条件，椭圆化现象可以降低高达50%的抗力。

首先，王老师向我们介绍了弹性圆柱壳椭圆化的三种失效模式和不同失效模式对应的承载力计算方法。圆柱壳受荷的基本工况包括纯弯曲荷载、弯曲+轴力和悬臂梁。针对这三种受荷工况，王老师采用数值模拟的方法对不同长度和截面尺度的圆柱壳开展了几何非线性分析（GNA）和引入缺陷的几何非线性分析（GNIA）。分析结果表明，当圆柱壳较短时，在三种受荷工况下其失效模式主要为局部屈曲破坏，但是随着圆柱壳长度的增加，其失效模式转为椭圆化的破坏。在前两种工况下，椭圆化的位置主要位于圆柱壳的跨中；在悬臂受荷工况下，随着长度的增加，椭圆化的位置从跨中逐渐转移到壳的端部。此外，王老师根据数值模拟结果，采用名义化的参数描述了圆柱壳椭圆化现象发生的位置及椭圆化程度。结果表明，椭圆化程度随着圆柱壳名义长度的增加而增加。与悬臂工况相比，弯曲荷载下的圆柱壳的椭圆化程度更严重。对于，受弯曲和轴压作用的圆柱壳，其椭圆化程度还与偏心率有关。

在介绍完椭圆化的失效模式后，王老师向我们介绍了她对不同受荷工况下发生椭圆化圆柱壳的承载力计算方法，这也是壳体设计中非常重要的问题。王老师发现，在纯弯荷载下，由于长圆柱壳的椭圆化，其承载力几近为短圆柱壳的50%，不同截面的壳体都表现出相似的规律。通过名义化壳体的几何参数，王老师提出了纯弯荷载下不同长度尺度圆柱壳承载力的折减系数。悬臂圆柱壳的力学性能表现出与纯弯荷载下相似的规律。随着壳体长度的增加，壳体的变形和承载从由剪力控制转变为由弯矩控制，王老师根据不同几何尺度圆柱壳承载力的衰减规律，提出了相应的承载力折减系数。

此外，在实际工程中，壳体并不会与数值模拟中的模型完全一致，而是存在着加工和建造过程导致的诸多缺陷。因此，王老师还开展了引入缺陷后圆柱壳的椭圆化承载力的研究。数值分析结果表明，不同受荷工况下椭圆化圆柱壳的承载力均随着缺陷程度的增加而降低。王老师通过对完美模型结果进行缺陷后折减的方式，考虑缺陷对圆柱壳椭圆化承载力的影响。

最后，王老师向我们介绍了考虑材料弹塑性后壳体椭圆化的参考承载力设计方法（Reference Resistance Design，RRD）和RRD框架所需参数的表征。RRD设计方法已纳入新版本的EN 1993-1-6中。该设计框架提出了壳体结构的承载力曲线（Capacity curve），该曲线将其无量纲承载力与其无量纲长细比联系起来。为了简化计算，王老师优化了RRD设计框架承载力曲线的横坐标，然后通过数值模拟结果校准出不同荷载工况下采用RRD框架所需的参数，最终实现圆柱壳快速、方便和准确的设计。王老师依据RRD框架所提出的圆柱壳体设计方法已被纳入EN 1993-1-6 Annex E (Section E.1.2)中。

通过王老师的讲座，我们可以认识到金属圆柱壳椭圆化的现象及其本质。椭圆化是壳体设计的一个主要部分，作为工程师的我们，必须正确地理解与认识这种现象，以便获得安全和高效的设计。此外，王老师在开展圆柱壳椭圆化研究的过程中，对参数分析的名义化处理和规律的总结方法值得我们科研工作者借鉴和学习。王老师的研究系统深刻、思路清晰、讲解深入浅出，让我们受益匪浅。

讲座链接：【The SIR Frontiers】学术前沿系列讲座第四十九期：“连续金属壳体结构”

相关文章请见王洁老师官方主页：https://researchportal.bath.ac.uk/en/persons/jie-wang

来源于多样化结构实验室

文稿｜解兵林 姚显花 毛炜宁

排版｜李嘉晨

审核｜胡  楠