结构经受任意微小外界干扰后能恢复到初始平衡状态的平衡称之为稳定平衡;如果不能恢复到初始平衡状态,则称之为不稳定平衡。结构一旦失去稳定性,其局部或整体将瞬时产生很大的变形,甚至失去抵抗外载荷的能力而失效,因此结构屈曲稳定性评估也是某些类型工程结构性能评估中的一个重要方面。
需要注意,结构稳定性问题是相对压缩载荷而提出来的,除了在承受压缩载荷的薄壁结构的设计过程中要考虑结构稳定性以外,对于非薄壁的“强大”结构,当承受“强大”的压缩载荷时,也必须考虑到它的结构中某些部件是否也有失稳的可能,即在结构稳定性分析过程中,“薄”是相对载荷而言的。
对本书界定的工程结构,结构稳定性评估的主要目的是确认弹性结构在外载荷作用下丧失稳定时临界载荷的大小,类似于弹性结构静强度评估时需要知道材料的屈服强度而通过安全系数将其折减为许用应力,在这里,一旦确认了结构的临界载荷,就可以给设计的载荷规定一个安全的上限,工程上常用最小屈曲强度因子的大小来度量结构的抗失稳能力。
理论上,结构失稳变形有两种模式,一是分支点屈曲模式,即结构从稳定平衡到不稳定平衡之间有一个交界点,如图3-11所示的载荷-挠度曲线是存在分支点的一个例子;二是在载荷-挠度曲线上不存在一个明确的分支点,而是如图3-12所示那样存在一个极值点,它意味着达到最大载荷以后,载荷下降挠度反而增加,而后一种情况往往发生在有“初始缺陷”的工程结构上,因此这种模式最值得工程关注。
图3-11 分支点屈曲示意
图3-12 极值点屈曲示意
严格说,当一个工程结构比较复杂时,制造出来以后“初始缺陷”有时很难避免,例如,在设计图样上一个相对载荷而言的结构看来具有完全对称性,但是由于制造原因、安装原因、加载原因,结构的对称性很难100%保证;还有,在一种载荷作用下,结构发生弹性变形,而这种弹性变形对同时作用的另外一种压缩载荷而言,可以被视为“初始缺陷”,因此在仅有图样的设计阶段,与制造无关的这种“初始缺陷”对结构稳定性的影响更应该引起高度重视。
线弹性屈曲稳定性分析模块被嵌套在某些商用软件里,并提供两个选项,一是通过特征值分析获得临界载荷,即认为结构是理想状态下的屈曲分析;二是认为结构有“初始缺陷”的结构屈曲分析,然而不管是那一种选择,屈曲发生过程的本质都是一个能量的转化过程,对此,参考文献 [ 16 ] 给出了屈曲发生的机理:在压缩载荷作用下,“杆、板和壳内的膜力与构件的轴线或中面相切,一个构件或结构将膜应变能转换为弯曲应变能时,屈曲就发生了。具有较低弯曲刚度但有较高的膜刚度的薄壁结构将产生显著破坏,这是因为,为了屈曲释放出的膜能,需要有急剧的大变形。”参考文献 [16] 还将理想的屈曲状态归结为一个特征值问题,经过推导,证明了临界载荷的应力使得结构总刚度对于屈曲位移模式为零,这意味着此时结构将对屈曲位移失去抵抗能力。
基于这一分析,现在就可以讨论另外一个有工程价值的话题:既然屈曲发生时薄板的膜应变能转换为弯曲应变能的机理是薄板本身两个方向抵抗变形的能力相差悬殊所致,或者薄板本身膜刚度与弯曲刚度相差悬殊所致,那么试图使结构在压缩载荷方向上的结构刚度趋于协调就应该是结构抗屈曲设计的一个对策。
工程结构服役过程中不允许发生结构失稳,因此屈曲数值分析的目的是在线弹性范围内求临界载荷或最小屈曲因子,并依此判断结构是否安全。基于“偏于安全”原则,参考文献 [ 17 ] 还建议先进行特征值分析,给出理想的临界载荷后还要考虑“初始缺陷”的屈曲分析,因为它可以给出一个更安全的临界载荷。关于结构屈曲分析的数据链,将在第9章结合一个工程实例给以具体讨论。