基于实验数据、数值模拟以及ARX模型的不锈钢圆柱壳轴向屈曲承载力预测

《Scientific Reports》：Experimental, numerical, and ARX model–based prediction of axial buckling capacity in stainless steel cylindrical shells

　　

摘要

本研究探讨了由不锈钢管制成的薄壁圆柱壳在均匀轴向压缩载荷作用下的结构行为。为此，采用实验与有限元（FE）参数化相结合的方法，旨在为长型不锈钢壳结构提供更通用的设计指导。测试了17个不同直径、厚度和长度的试样，以表征其载荷-位移行为和失效模式。利用数字图像相关技术（DIC）评估了壳体的初始几何缺陷，并将这些缺陷纳入数值模型中。随后使用ANSYS软件进行了非线性有限元分析（FEA），以验证这些模型的准确性。在考虑六种测试管道的峰值轴向载荷时，FEA结果与实验结果高度吻合，FEA与实验结果的比值范围为0.998至1.013（差异约为-0.20%至+1.3%），平均绝对百分比误差约为0.61%。基于经过验证的模型，通过有限元分析进行了参数化研究，以评估半径与厚度比以及高度与直径比对屈曲能力的影响。最后，开发了一种具有外生输入的自回归（ARX）模型，作为设计工具，用于在实验验证的参数范围内预测均匀轴向压缩下的非线性屈曲能力。所提出的屈曲能力模型考虑了缺陷幅度的效应，有助于在设计阶段对长型不锈钢壳结构进行评估。