薄壳结构分析圆柱壳和圆锥壳的受力分析与设计
薄壳结构
建筑结构选型——薄壳结构学校：专业班级：指导老师：小组成员：摘要大跨建筑中的壳体结构通常为薄壳结构，即壳体厚度于其中的最小曲率半径之比小于1/20，为薄壁空间结构的一种，它包括球壳、筒壳、双曲扁壳和扭壳等多种形式。
他们的共同特点在于通过发挥结构的空间作用，把垂直于壳体表面的外力分解为壳体面内的薄膜力，再传递给支座，弥补了板、壳等薄壁构件的面外薄弱性质，以比较轻的结构自重和较大的结构刚度及较高的承载能力实现结构的大跨度。
关键词形态分类受力特点应用与发展案例研究正文1 薄壳结构的定义壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。
薄壳结构就是曲面的薄壁结构，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都采用钢筋和混凝土。
壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。
1.1薄壳结构的特点壳体结构一般是由上下两个几何曲面构成的空间薄壁结构。
两个曲面之问的距离即为壳体的厚度(δ)，当δ比壳体其他尺寸(如曲率半径R，跨度等)小得多时，一般要求δ/R≤1/20(鸡蛋壳的δ/R≈1/50)称为薄壳结构。
现代建筑工程中所采用的壳体一般为薄壳结构。
而薄壳结构为双向受力的空间结构，在竖向均布荷载作用下，壳体主要承受曲面内的轴向力(双向法向力)和顺剪力作用，曲面轴力和顺剪力都作用在曲面内，又称为薄膜内力。
而只有在非对称荷载(风，雪等)作用下，壳体才承受较小的弯矩和扭矩。
由于壳体内主要承受以压力为主的薄膜内力，且薄膜内力沿壳体厚度方向均匀分布，所以材料强度能得到充分利用；而且壳体为凸面，处于空间受力状态，各向刚度都较大，因而用薄壳结构能实现以最少之材料构成最坚之结构的理想。
由于壳体强度高、刚度大、用料省、自重轻，覆盖大面积，无需中柱，而且其造型多变，曲线优美，表现力强，因而深受建筑师们的青睐，故多用于大跨度的建筑物，如展览厅、食堂、剧院、天文馆、厂房、飞机库等。
不过，薄壳结构也有其自身的不足之处，由于体形多为曲线，复杂多变，采用现浇结构时，模板制作难度大，会费模费工，施工难度较大；一般壳体既作承重结构又作屋面，由于壳壁太薄，隔热保温效果不好；并且某些壳体(如球壳、扁壳)易产生回声现象，对音响效果要求高的大会堂、体育馆、影剧院等建筑不适宜。
薄壳结构模版
薄壳构造受力特点及天津博物馆案例分析班级：土木N073 学号：2022456791432 姓名：周峰近几年来，建筑师又在蛋壳的启发下，设计了小到自行车棚大到现代化的大型薄壳构造的建筑物。
这种建筑物既结实又节约材料。
我国北京火车站大厅房顶就是承受这种薄壳构造，屋顶那么薄，跨度那么大，整个大厅显得格外宽阔光明，舒适美观。
举世知名的悉尼歌剧院也是一座典型而颖的薄壳建筑。
薄壳构造壳，是一种曲面构件，主要承受各种作用产生的中面内的力。
薄壳构造就是曲面的薄壁构造，按曲面生成的形式分为筒壳、圆顶薄壳、双曲扁壳和双曲抛物面壳等，材料大都承受钢筋和混凝土。
壳体能充分利用材料强度，同时又能将承重与围护两种功能融合为一。
实际工程中还可利用对空间曲面的切削与组合，形成造型惊异颖且能适应各种平面的建筑，但较为费工和费模板。
1．筒壳〔柱面薄壳〕：是单向有曲率的薄壳，由壳身、侧边缘构件和横隔组成。
横隔间的距离为壳体的跨度l↓1，侧边构件间距离为壳体的波长l↓2。
当l↓1／l↓2≥1时为长壳，l↓1／l↓22＜1为短壳。
2．圆顶薄壳：是正高斯曲率的旋转曲面壳，由壳面与支座环组成，壳面厚度做得很薄，一般为曲率半径的1／600 ，跨度可以很大。
支座环对圆顶壳起箍的作用，并通过它将整个薄壳搁置在支承构件上。
3．双曲扁壳〔微弯平板〕：一抛物线沿另一正交的抛物线平移形成的曲面，其顶点处矢高 f 与底面短边边长之比不应超过1／5。
双曲扁壳由壳身及周边四个横隔组成，横隔为带拉杆的拱或变高度的梁。
适用于掩盖跨度为20 ～50 米的方形或矩形平面〔其长短边之比不宜超过2〕的建筑物。
4．双曲抛物面壳：一竖向抛物线〔母线〕沿另一凸向与之相反的抛物线〔导线〕平行移动所形成的曲面。
此种曲面与水平面截交的曲线为双曲线，故称为双曲抛物面壳。
工程中常见的各种扭壳也为其中一种类型，因薄壳构造简洁制作，稳定性好，简洁适应建筑功能和造型需要，所以应用较为广泛。
蛋壳就是利用了薄壳构造原理，由于这种构造的拱形曲面可以抵消外力的作用，构造更加结实。
薄壳结构原理
薄壳结构原理薄壳结构是一种常见的工程结构形式，其原理是利用薄壳的受力性能来承担外部荷载，实现结构的稳定和强度。
薄壳结构具有较高的承载能力和较小的自重，因此在建筑、桥梁、船舶等领域得到广泛应用。
本文将从薄壳结构的原理入手，介绍其受力特点、设计要点和应用范围，帮助读者更好地理解和运用薄壳结构。
首先，薄壳结构的受力特点是指其在受外部荷载作用下的受力性能。
薄壳结构主要受力于膜力和弯曲力，而薄壳的受力特点主要体现在以下几个方面：1. 膜力作用，薄壳结构在受到外部荷载作用时，其表面会产生张力和压力，形成膜力。
薄壳结构的受力性能与膜力的分布和大小密切相关，合理设计薄壳结构的形状和厚度，可以有效地控制膜力的分布，提高结构的承载能力。
2. 弯曲力作用，除了膜力外，薄壳结构还会受到弯曲力的作用。
在外部荷载作用下，薄壳结构会发生弯曲变形，产生弯曲应力。
合理设计薄壳结构的截面形状和支撑方式，可以有效地减小弯曲应力，提高结构的稳定性。
其次，设计薄壳结构需要注意的要点包括结构形状、材料选择和支撑方式。
薄壳结构的设计要点主要包括以下几个方面：1. 结构形状，薄壳结构的形状对其受力性能有重要影响。
合理选择薄壳结构的形状，可以使结构在受力时获得较好的受力性能，提高结构的承载能力。
2. 材料选择，薄壳结构的材料选择直接影响其受力性能和使用寿命。
合理选择材料，可以提高薄壳结构的强度和稳定性，延长结构的使用寿命。
3. 支撑方式，薄壳结构的支撑方式对其受力性能和稳定性有重要影响。
合理选择支撑方式，可以有效地减小结构的变形和应力，提高结构的稳定性。
最后，薄壳结构在建筑、桥梁、船舶等领域有着广泛的应用。
薄壳结构的应用范围主要包括以下几个方面：1. 建筑领域，薄壳结构在建筑领域主要应用于大跨度建筑和特殊形状建筑。
例如，穹顶结构、折板结构和双曲面结构等都是薄壳结构的典型应用。
2. 桥梁领域，薄壳结构在桥梁领域主要应用于特殊形状桥梁和大跨度桥梁。
第5章薄壳结构
壳体结构的强度和刚度主要是利用其几何 形状的合理性，而不是以增大其结构截面尺寸取 得的，这是薄壳结构与拱式结构相似之处。
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.1概述
梁式结构 排架结构 刚架结构 拱式结构
面外:需设支撑体系保证安 全及稳定 平面受力结构
面内:承受屋面板传来的竖 向荷载
平面受力结构体系的特点: 优点:荷载为单向传递，计算分析方便，结构施工吊装方便。 缺点:结构内力较大，材料强度得不到充分发挥，随着结构材料用量
T
N
2
ds1
3）支座环的受力
T=RkN1cosφ0
0 51 49, T随的增大而增大
0 51 49, T随的增大而增大
0 51 49, T随的增大而减小
0 =51 49, T =Tmax
根据薄膜力N1计算支座环的拉力
φ 0=90°时T=0，即 半球时支座环无拉力
某礼堂
某飞机场
西北农林科技大学图书馆
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.3 筒壳与锥壳 5.3.4 筒壳结构的工程实例
美国田纳西州金贝尔艺术馆
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.3 筒壳与锥壳 5.3.4 筒壳结构的工程实例
平顶过度带（管道空间）
1.现浇钢筋混凝土结构 2.三组连续平行的拱壳 3.每个拱壳6.5m*30m
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构
5.1 概念 5.2 圆顶 5.3 筒壳和锥壳 5.4 双曲扁壳 5.5 扭壳 5.6 折板 5.7 雁形板 5.8 幕结构
薄壁结构的概念 结构的厚度远小于长度和宽度，一 般由金属或钢筋混凝土材料制成， 受力特点为空间受力体系。
第5章 钢筋混凝土空间薄壁结构 5.1 概述 5.1.1 薄壳结构的概念 思考:一个鸡蛋能受多大的压力？ F1=?
薄壳结构的受力分析与计算
薄壳结构的受力分析与计算薄壳结构是一种常见的结构形式，广泛应用于建筑、航空航天、汽车等领域。
薄壳结构的设计和施工需要进行受力分析与计算，以确保结构的稳定性和安全性。
本文将介绍薄壳结构的受力分析及相关计算方法。
1. 薄壳结构的定义及分类薄壳结构是指厚度相对较小、形状符合一定几何规律的结构。
根据结构的形状和受力特点，薄壳结构可以分为平面薄壳、旋转薄壳和非旋转薄壳等多种类型。
2. 薄壳结构的受力特点薄壳结构主要受到包括弯曲、剪切和膜力在内的多种力的作用。
在设计和计算过程中，需要分析结构的内力分布、变形情况以及应力状态，以确保结构的强度和刚度满足使用要求。
3. 薄壳结构的受力分析方法薄壳结构的受力分析可以采用经典理论和现代有限元分析方法。
经典理论方法包括薄壳的弯曲理论、剪切变形理论和膜力理论。
这些理论通常基于结构的几何形状和受力特点，通过假设和推导得到结构的内力分布和应力状态。
其中比较典型的理论方法有Kirchhoff理论、Love理论和Reissner-Mindlin理论等。
现代有限元分析方法是一种计算机辅助的数值计算方法，能够更精确地模拟薄壳结构的受力分析。
该方法将结构离散成有限个小单元，在每个单元上建立数学模型，通过计算机计算得到结构的内力分布和应力状态。
有限元分析方法可以对复杂的薄壳结构进行全面的受力分析，但需要考虑材料性质、边界条件和加载方式等因素。
4. 薄壳结构的受力计算薄壳结构的受力计算是在受力分析的基础上，根据结构的几何形状、材料性质和加载情况，确定结构的强度和稳定性。
在进行受力计算时，需要先确定结构的边界条件，包括支撑条件和约束条件。
然后根据受力分析的结果，计算结构的内力和应力。
根据材料的强度和稳定性要求，可以进行强度验证和稳定性分析，以确定结构的合理性和安全性。
5. 受力分析与计算的案例以一个球面薄壳为例，对其进行受力分析与计算。
首先，根据球面薄壳的几何形状和受力特点，采用适当的受力分析方法，比如Reissner-Mindlin理论。
薄壳结构的受力性能分析及优化设计
薄壳结构的受力性能分析及优化设计薄壳结构是指在相对较大的尺寸下，厚度相比其它两个维度很小的结构，通常包括圆形、方形、矩形、菱形等。
薄壳结构通常被用于桥梁、建筑、船舶、飞机等领域。
薄壳结构的设计和分析一直是结构领域的热门话题，其稳定性、受力性能和优化设计都是需要考虑的问题。
薄壳结构的受力分析需要考虑其内部和外部载荷，并分析其力学特性。
对于圆形、方形、矩形、菱形和梯形等形状的薄壳结构，通常采用两个维度的坐标系和三维空间中的向量分析来处理。
薄壳结构由许多小块构成，每个小块的法向量和剪切力都是不同的，这需要将薄壳结构分为许多小块，进行微元法分析。
在微元法分析中，对每个微元进行应力和应变分析，找出薄壳结构中的最大应力和应变，这有助于确定结构的受力性能。
稳定性分析是薄壳结构设计的重要组成部分。
如果各个部分受力不均衡，整个结构就会失去稳定性。
因此，在薄壳结构的设计中，保持结构稳定是非常关键的。
稳定性分析中通常采用欧拉公式、能量法等方法，来分析结构失稳的条件。
最常用的稳定性分析方法是线性稳定性分析和非线性稳定性分析。
线性稳定性分析通常根据结构的初值来计算临界载荷，而非线性稳定性分析则考虑了结构的实际受力情况，更加准确地反映了结构的稳定性。
优化设计是薄壳结构设计的另一个重要组成部分。
在优化设计中，相对复杂的薄壳结构设计可以被简化为一组参数，这些参数可以被优化算法处理。
经过优化算法的处理，可以得出使结构性能最优化的参数值，从而实现优化设计。
优化算法有多种，如遗传算法、粒子群算法、模拟退火等。
这些算法被广泛应用于优化设计领域，对于复杂的薄壳结构优化设计非常有效。
在薄壳结构的设计过程中，受力性能分析和优化设计是两个不可分割的组成部分。
受力性能分析有助于提前发现结构中可能存在的问题，而优化设计则可以进一步提高结构的可靠性和效率。
所有这些分析方法都需要使用现代计算机进行计算和模拟。
现如今的计算机技术日新月异，为薄壳结构的分析和优化设计提供了更加高效和准确的手段。
薄壳结构1
0
K k1 k2
0
0
零高斯曲率 正高斯曲率 负高斯曲率
零高斯曲率
正高斯曲率
负高斯曲率
二 、薄壳结构的曲面形式
➢旋转曲面
由一条平面曲线绕着该平面内某一指定的直线旋转一周所 形成的曲面
二 、薄壳结构的曲面形式
➢平移曲面
由一条竖向曲线做母线沿着另一条竖向曲线（导线）平行 移动所形成的曲面
顺剪力使拱方向的支座受推力 拉杆 锚于地下的斜 拉杆
➢扭壳的边缘构件 •落地拱单块扭壳屋盖
顺剪力
落地拱扭壳屋盖边框推力的平衡
合力R作用于A、B的基础上
当地基抗侧移能力不足时， 在基础之间设置拉杆
三、双曲抛物面扭壳的工程实例 ➢大连海港转运仓库
平面图
透视图
钢筋混凝土组合型双曲 抛物面扭壳屋盖
边缘构件为人字形拉杆 拱
➢壳体稳定性好 上凸——薄拱（受压）
下凹——索网（受拉）
避免屈曲失稳，提高稳定性。 壳板可以很薄
➢双曲抛物面是直纹曲面，配筋和模板制作简单
➢扭壳——从双曲抛物面中沿直纹曲面切取的一部分
扭壳单块作屋面或组合
一 、扭壳的结构组成和型式
➢组成：壳板和边缘构件 ➢形式
双倾单块扭壳
单倾单块扭壳
组合型扭壳
屋顶四边采光， 排水方便。
边缘构件为人字形拉杆 拱，壳体及边拱围现浇 刚筋混凝土结构
扭壳的几何图形
曲面的切割与组合
双曲扁壳 柱壳
两柱壳相贯 两双曲抛物面 壳相贯
锯齿形状 （柱状） 劈锥壳
锥形壳
扭壳 锥形壳
锥形壳
鸟瞰图 室外透视
➢美国圣路易航空港候机室
由三组壳体组成 每组有两个圆柱形曲面正交形成 建筑平面为四边形 每组壳面切割成八角形的覆盖平面丰富了建筑造型 两个柱形曲面的交线为十字形交叉拱，加强壳体， 并将荷载传至支座 拱的断面突出壳面使室内形成光滑简洁的曲面 壳体边缘有加劲肋 三组壳体的相交处为采光带
水下薄壁圆柱壳体的结构设计分析
水下薄壁圆柱壳体的结构设计分析发布时间：2022-07-16T08:01:12.498Z 来源：《中国科技信息》2022年第33卷3月5期作者：孙现有1，张希2[导读] 薄壁圆柱壳体结构因具有刚性好、质量轻、容装空间大、工艺性能好等优点，孙现有1，张希2（1. 海装驻广州地区某军事代表室，广东，广州， 510000；2.七五〇试验场，云南，昆明，650051）摘要：薄壁圆柱壳体结构因具有刚性好、质量轻、容装空间大、工艺性能好等优点，被广泛应用在声纳等水下电子设备中。
薄壁壳体的设计需综合考虑结构的密封特性、强度性能、振动特性以及稳定性等因素，针对上述设计问题，本文以多功能搜救声纳壳体为研究对象，基于有限元软件ANSYS Workbench进行水下薄壁圆柱壳体设计分析，并对设计制造的结构进行耐压试验。
仿真以及试验结果表明，所设计壳体满足多功能搜救声纳的使用要求，同时，本文的设计分析方法对类似水下结构件的设计分析与校核具有一定参考价值。
关键词：薄壁圆柱壳体；结构强度设计；模态分析；稳定性分析1 引言薄壁圆柱壳体作为基本结构，广泛应用于飞行器舱段、火箭壳体、航空发动机机匣、水下航行器壳体、石油管道、水下电子设备壳体等航空、航天、航海相关领域[1,2]。
薄壁圆柱壳体比刚度高（刚度与质量之比），具有良好的加工工艺性能以及较大的设备容装空间，声纳等水下电子设备也大量采用了此类壳体结构。
薄壁圆柱壳体作为诸多水下电子设备的关键结构，其密封特性、强度性能、振动特性以及结构稳定性直接影响到设备使用的安全性与可靠性。
目前，采用有限元分析方法进行仿真，对结构评估与优化，可降低多次产品试验的时间、人力和财力的成本，有效提高结构的可靠性。
在可查阅的论文中尚未看到有针对水下薄壁壳体的上述结构设计问题进行全面研究及阐述。
本文针对薄壁圆柱壳体设计问题，以多功能搜救声纳壳体为研究对象，基于有限元软件ANSYS Workbench，建立薄壁圆柱壳体的有限元模型，进行1km水深条件下结构强度分析以及壁厚优化设计，开展振动模态分析，采用特征值屈曲分析方法进行了结构稳定性分析，并对所设计结构进行耐压试验。
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薄壳结构分析圆柱壳和圆锥壳的受力分析与
设计
薄壳结构是一种常见的工程结构，具有重要的应用价值。
在工程实践中，圆柱壳和圆锥壳是常见的薄壳结构形式。
本文将针对这两种薄壳结构进行受力分析与设计的探讨。
一、圆柱壳的受力分析与设计
1. 圆柱壳的基本概念
圆柱壳是由一个平行于母线的曲面和两个平行于轴线的平面所围成的结构形式。
圆柱壳的内外曲面称为壳体，两平面称为壳底。
2. 圆柱壳的受力分析
圆柱壳主要受到的力有压力、剪力和弯矩。
在设计圆柱壳时，需对这些作用力进行合理计算与选取。
2.1 压力分析
圆柱壳承受的压力主要沿着壳体方向作用，通过壳底传递给基础。
设计时需要考虑圆柱壳的工作环境和受力情况，选择合适的材料和壳体厚度。
2.2 剪力分析
剪力主要发生在圆柱壳壳体与壳底的接触面上，主要由基础产生的水平作用力引起。
设计时需考虑到基础的强度和稳定性，确保圆柱壳的稳定性。
2.3 弯矩分析
弯矩是圆柱壳在垂直于轴线方向产生的力矩。
设计时需考虑到圆柱
壳的荷载情况和弯曲刚度，选择适当的截面形状和材料。
3. 圆柱壳的设计原则
在设计圆柱壳时，需要遵循以下原则：
3.1 强度原则
确保圆柱壳在承受外部荷载时，各个壳体和壳底部分的应力处于安
全范围内，避免出现破坏现象。
3.2 稳定性原则
保证圆柱壳在受力情况下能够保持稳定，避免产生位移或失稳现象。
3.3 经济性原则
通过合理的设计和材料选取，使圆柱壳的制作和施工成本尽量低，
达到经济效益最大化。
二、圆锥壳的受力分析与设计
1. 圆锥壳的基本概念
圆锥壳由一个锥面和两个平行于轴线的平面所围成的结构形式，是
一种比圆柱壳更为复杂的薄壳结构。
2. 圆锥壳的受力分析
圆锥壳的受力情况与圆柱壳类似，主要是压力、剪力和弯矩。
然而，由于圆锥壳的几何形态不规则，对其进行受力分析和设计时需要更多
的考虑。
2.1 压力分析
圆锥壳承受的压力分布较为复杂，需要通过数学模型或实验手段进
行分析和计算。
2.2 剪力分析
圆锥壳的剪力分布不均匀，需考虑壳体的几何形态和局部应力集中
的情况，选择合适的剪力设计。
2.3 弯矩分析
圆锥壳的弯矩分布也较为复杂，需要考虑几何形态和局部应力集中
的情况，选择合适的弯矩设计。
3. 圆锥壳的设计原则
在设计圆锥壳时，需要遵循与圆柱壳类似的原则，同时特别注意几
何形态的不规则性和应力集中的情况。
确保圆锥壳在受力情况下能够
保持稳定和安全。
总结：
薄壳结构中的圆柱壳和圆锥壳是重要的结构形式，其受力分析和设
计涉及到压力、剪力和弯矩等多个力学参数。
通过合理的设计和材料
选取，可以确保薄壳结构的强度、稳定性和经济性。
在实际工程中，需要根据具体情况进行综合考虑和优化设计，以满足工程要求。