بررسي كمانش در پوسته استوانه‌اي با جوش طولي و محيطي

Buckling Analysis on Cylindrical Shell with Longitudinal and Circumferential Welds

پوسته ­هاي استوانه اي نازك بطور وسيعي در صنايع نفت، گاز و در صنايع هوا و فضا مورد استفاده قرار مي گيرند، معمولا اين پوسته­ ها تحت تاثير نيروهاي محوري، فشار داخلي، فشار خارجي و نيروهاي پيچشي مي ­باشند، بنابراين طراحي ايمن در مقابل كمانش براي اين پوست­ه اي نازك، بسيار حائز اهميت است. سال­ ها علت كمانش پوسته­ ها در نيرويي كمتر از نيروي تئوري محاسبه شده از حل كلاسيك به صورت معمايي نزد محققين و دانشمندان علم مكانيك مطرح بوده، تا اينكه پس از انجام آزمايش هاي متعدد مشخص شد، نقص­ها شامل عيب­ هاي هندسي، تغيير در ضخامت، عدم يكنواختي خواص مواد و شرايط مرزي و به طور كلي هر عيبي در مقايسه با يك پوسته استوانه اي كامل بدون عيب، منشاء كاهش نيروي كمانش نسبت به مقدار كلاسيك آن مي باشد كه مهم ترين آنها عيوب هندسي و خارج از گردي بودن پوسته نسبت به حالت كامل استوانه است. اين نقص­ ها معمولاً تابع روش ساخت مي ­باشند، جوشكاري پوسته­ ها در مخازن تحت فشار خود يكي از دلايل مهم ايجاد نقص­ هاي هندسي بخصوص در پيرامون محل جوشكاري است. اين پژوهش به بررسي اثرات جوش در پوسته­ هاي استوانه اي تحت بار محوري مي ­پردازد، به اين ترتيب كه نمونه هايي از جنس فولاد با جوش طولي و محيطي ساخته شده و عيب­ هاي هندسي آنها اندازه­ گيري و سپس تحت آزمايش كمانش قرار گرفته اند. همچنين عيب­ هاي اندازه­ گيري شده در مدل المان محدود اعمال و نيروي كمانش حاصل از آناليز المان محدود با آزمايش تجربي مقايسه شده است. نتايج نشان مي­ دهد جوشكاري باعث كاهش قابل ملاحظه نيروي كمانش نسبت به مقدار نيروي بحراني كلاسيك گرديده و كمانش پوسته با جوش طولي و محيطي به دليل افزايش عيب ­هاي هندسي در نيرويي كمتر از پوسته اي با جوش فقط طولي رخ مي­ دهد.

Near to a century, buckling on shells especially on cylindrical shells under axial compression is Bing survey. Buckling of shells carried out less than classical load and many years it was a puzzle for mechanical scientists and researchers. Exactly estimate of buckling critical load for optimum design and safety in mechanical structures like as pressure vessel, rockets, airplane body is very important because buckling is catastrophic. Imperfections consist of geometric defects, variation in thickness, material properties uniformity and boundary condition can be decrease buckling critical load. Geometric imperfections like as out of roundness and ovality is the result of manufacturing process. Plate roll forming and welding is a method for shell fabrication and unavoidable and welds are source of imperfections. Three cylindrical shells fabricated by roll forming and welding. Imperfections of shells measured by 3D scan camera and then tested under axial compression with press. Results show welds have created imperfections especially around the weld line and decrease critical buckling load. Shell with circumferential weld buckled lower than buckling load of shells with only longitudinal weld line. Measured imperfections introduce to nodes in finite element mesh modeling directly and results of finite element analysis compared to experimental load – displacement curves until the effects of welds on critical load compare to perfect shell buckling load.