当前位置: 首页 >> 新闻动态 >> 正文

生活中的力学:易拉罐力学性能研究

来源: 作者: 时间:2021-02-04 

易拉罐由于其体积小巧、方便携带等优点,被广泛应用于食品饮料领域。不为人知的是,由于易拉罐(图1)合理的结构形式,小小易拉罐的竟然能承担一个成年人的重量。这种迷人的力学特性深深吸引着广大力学学者。但由于其对初始缺陷的敏感性,该结构的稳定问题一直困扰着国内外众多的研究人员。并且柱壳结构屈曲问题的研究对于航空航天和建筑结构有着非常重要的影响。

 

图1:生活中易拉罐的变形

近日,力学技术研究院博士研究生宋广凯与南非科学院院士、力学技术研究院院长、首席科学家孙博华教授合作发表在力学学报的研究成果对圆柱壳结构的稳定问题进行了进一步的研究,丰富和完善了圆柱壳结构现有的屈曲地貌,并且绘制了屈曲地貌图。(图2)

 

图2:屈曲地貌示意图

研究人员采用有限元数值模拟的方法对在不同荷载组合、不同几何参数作用下的柱壳结构进行了细致分析。在较大轴向荷载作用下,柱壳结构发生了较大的整体失稳(图3)。荷载组合为侧压-轴压-扭转时,结构力-位移曲线出现了`“cliff'”(断崖)现象(图4);扭转荷载的施加不利于试件整体稳定性, 并造成了试件对初始缺陷的敏感性; 对于受到轴压-扭转荷载作用的试件,本文定义承载力为零的平面为“sea level”(海平面)来区分试件破坏模式(图5),大大丰富了现有的屈曲地貌。

 

图3:整体压缩屈曲

 

图4:“cliff”(断崖)现象

 

图5:“sea level”(海平面)现象

研究人员进一步提出了提高柱壳结构屈曲荷载的方法,经研究发现:对柱壳结构内部充气可以大幅度提升结构的承载能力和稳定性, 减小对初始缺陷的敏感度。这为工程师解决柱壳结构稳定问题提供了新的思路。

该文第一作者为西安建筑科技大学力学技术研究院博士研究生宋广凯,通讯作者为南非科学院院士、力学技术研究院院长、首席科学家孙博华教授。

论文链接:宋广凯, 孙博华. 易拉罐在轴−侧−扭−内压联合作用下的屈曲地貌. 力学学报, 2021, 53(2): 448-466;Song Guangkai, Sun Bohua. Buckling landscape of can under the combined action of axial compression-torsion-lateral poking-internal pressure. Chinese Journal of Theoretical and Applied Mechanics, 2021, 53(2): 448-466;http://lxxb.cstam.org.cn/CN/Y2021/V53/I2/0