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金属膜片的数值模拟与分析

采用大型非线性有限元软件ABAQUS进行数值分析,选用四边形单元划分,选用二次减缩积分壳单元S8R,这是一种厚壳单元,在Mesh模块中,周向布置60个单元,母线布置64个单元,整个模型共3840个单元,11521个结点。膜片主要翻转过程如下:

由于弯边处厚度最小,膜片从“赤道”处开始翻转,一开始呈轴对称翻转,当整个弯边翻转过来后,膜片逐渐呈现非轴对称变形,一侧翻转较快,另一侧翻转较慢。在膜片相同高度的圆周上取两个节点,编号为178和2056的两个节点,两点是同一圆周直径的两个端点,以纵坐标表示两个节点的轴向位移,横坐标表示膜片压力,建立位移-压力关系曲线。

在膜片压力为0.17MPa时两节点的下降速度开始不一样,之后在一段时间内,178节点下降速度较慢,2060节点下降速度较快,甚至超过了178节点的下降速度,这分别代表了膜片的两边的变形规律,宏观上表现出来的就是我们在变形图中所看到的情况。在最后变形结束时,我们看到两条曲线并没有重合,说明膜片在变形过程中可能出现小范围的屈曲造成的。实际上也可以看到小范围屈曲。

开始随着膜片压力的增加,该点径向位移始终为零,说明膜片从“赤道”处缓慢平稳地进行翻转,从前面的变形图中也可以看到,在理想翻转情况下,随着膜片向下翻转,已翻转和未翻转膜片间夹角变化不大,翻转过程中压差变化也不会很大。但是当膜片压力增加到一定数值,膜片部分区域开始产生径向位移,并且在一定时间内这种径向位移往复摆动,最终发生局部屈曲,由于这种屈曲是轴对称行为,且只是在局部区域产生的,从图中看出,发生失稳时最大离面径向位移只有14.3mm,与膜片的几何尺寸相比很小,因此,经过局部小的失稳阶段后不影响膜片的整体翻转过程,最终达到比较理想的翻转。

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