基于MATLAB軟件開發(fā)外壓容器穩(wěn)定性實驗控制系統(tǒng)

尤少煒　朱春禹　張德林　王金玲

摘要：針對現(xiàn)有基于VB開發(fā)的外壓容器失穩(wěn)實驗測試系統(tǒng)拓展性較差、兼容性不好等缺點，項目組成員經(jīng)過充分討論，提出基于工程計算軟件MATLAB，開發(fā)外壓容器穩(wěn)定性實驗測試程序和控制系統(tǒng)，并且進行功能擴展和完善。經(jīng)過對MATLAB的學習與實踐，成功編制了外壓容器失穩(wěn)測試實驗計算機控制系統(tǒng)并能進一步拓寬成果用于實際實驗測試。

關鍵詞：MATLAB；外壓容器；失穩(wěn)；實驗控制系統(tǒng)

1.引言

外壓容器失穩(wěn)教學實驗是將容器在外壓作用下造成失穩(wěn)變形的一種典型實驗，具有操作簡單、結果直觀等特點，故長期被作為過程裝備與控制工程專業(yè)開設專業(yè)實驗課的必選實驗。由于早期實驗測試程序是基于VB6.0開發(fā)的，一直以來存在兩個顯著的缺點：一是功能拓展性較差，測試數(shù)據(jù)和參量有限；二是兼容性不好，目前無法應用于Win7，Win8及64位系統(tǒng)。為此，筆者針對傳統(tǒng)驗證型外壓容器失穩(wěn)實驗的不足，采用大型工程軟件MATLAB開發(fā)外壓容器穩(wěn)定性實驗測試程序和控制系統(tǒng)，便于監(jiān)控外壓容器穩(wěn)定性，確保實驗過程的安全性。

2.外壓容器失穩(wěn)理論及外壓容器實驗測試系統(tǒng)介紹

2.1外壓容器及其穩(wěn)定性說明

在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現(xiàn)象稱為彈性失穩(wěn)。容器發(fā)生彈性失穩(wěn)將使容器不能維持正常操作，造成容器失效。外壓圓筒在失穩(wěn)以前，筒壁內(nèi)只有單純的壓縮應力。在失穩(wěn)時，由于突然的變形，在筒壁內(nèi)生了以彎曲應力為主的附加應力，而且這種變形和附加應力一直迅速發(fā)展到筒體被壓癟或發(fā)生褶縐為止。所以外壓容器的失穩(wěn)，實際上是容器筒壁內(nèi)的應力狀態(tài)由單純的壓應力平衡躍變?yōu)橹饕軓澢鷳Φ男缕胶狻?/p>

容器的失穩(wěn)形式有整體失穩(wěn)和局部失穩(wěn)兩種。本實驗測試系統(tǒng)研究的是實驗試件整體失穩(wěn)的情況，整體失穩(wěn)根據(jù)失穩(wěn)方向分為側(cè)向失穩(wěn)和軸向失穩(wěn)兩種[1]。

容器由于均勻側(cè)向外壓引起的失穩(wěn)叫做側(cè)向失穩(wěn)。側(cè)向失穩(wěn)時殼體橫斷面由原來的圓形被壓癟而呈現(xiàn)波形，其波形數(shù)可以等于兩個、三個、四個。軸向外壓則引起容器軸向失穩(wěn)，變形為徑線由直線變?yōu)榍€。

2.2外壓容器實驗及測試系統(tǒng)說明

外壓容器失穩(wěn)實驗是將容器在外壓作用下造成失穩(wěn)變形的一種教學實驗，也是壓力容器失效破壞的一個典型教學演示實例，它具有操作簡單、結果直觀等特點，被作為過程裝備與控制工程專業(yè)開設專業(yè)實驗課的首選實驗。國內(nèi)高校如浙江大學、南京工業(yè)大學等一直致力于穩(wěn)定性測試裝置的研究和開發(fā)。

3.基于MATLAB軟件開發(fā)外壓容器穩(wěn)定性實驗控制系統(tǒng)

3.1MATLAB軟件簡介

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業(yè)數(shù)學軟件，用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)可視化、數(shù)據(jù)分析以及數(shù)值計算的高級技術計算語言和交互式環(huán)境，它將數(shù)值分析、矩陣計算、科學數(shù)據(jù)可視化以及非線性動態(tài)系統(tǒng)的建模和仿真等諸多強大功能集成在易于使用的視窗環(huán)境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數(shù)值計算的眾多科學領域提供了一種全面的解決方案，并在很大程度上擺脫了傳統(tǒng)非交互式程序設計語言的編輯模式，代表了當今國際科學計算軟件的先進水平。

3.2基于MATLAB軟件開發(fā)實驗系統(tǒng)

以下為初始界面的源代碼

functionvarargout = untitled1（varargin）

gui_Singleton = 1；

gui_State = struct（'gui_Name'， mfilename， ...

'gui_Singleton'， gui_Singleton， ...

'gui_OpeningFcn'， @untitled1_OpeningFcn， ...

'gui_OutputFcn'， @untitled1_OutputFcn， ...

'gui_LayoutFcn'， [] ， ...

'gui_Callback'， []）；

ifnargin&&ischar（varargin{1}）

gui_State.gui_Callback = str2func（varargin{1}）；

end

ifnargout

[varargout{1：nargout}] = gui_mainfcn（gui_State， varargin{：}）；

else

gui_mainfcn（gui_State， varargin{：}）；

end

function untitled1_OpeningFcn（hObject， eventdata， handles， varargin）

handles.output = hObject；

guidata（hObject， handles）；

functionvarargout = untitled1_OutputFcn（hObject， eventdata， handles）

varargout{1} = handles.output；

4.總結

應用先進工程計算軟件MATLAB實現(xiàn)外壓容器穩(wěn)定性實驗測試程序的開發(fā)，為外壓容器失穩(wěn)實驗提供了更加良好的測試環(huán)境，也為相關教學提供了一個更加便捷的工具。同時本研究克服外壓容器穩(wěn)定性傳統(tǒng)實驗測試系統(tǒng)兼容性和功能拓展性不好等問題，使得系統(tǒng)控制方面更為完善。由于筆者水平和時間有限，因此開發(fā)的實驗系統(tǒng)仍有不足之處，希望在今后的研究中逐步克服，以期為過程裝備與控制工程專業(yè)教學盡綿薄之力。

5.附錄（部分界面截圖）

參考文獻

[1] 李志義，喻健良，劉志軍.過程機械（上冊）-過程容器及設備[M].北京：化學工業(yè)出版社，2008.

[2] 張宗堯，趙石軍.基于 ANSYS 的外壓容器穩(wěn)定性分析 [J] 一重技術，2010

[3] 鄭津洋.我國承壓設備學的研究現(xiàn)狀和優(yōu)先研究領域[R].浙江：浙江大學化工機械研究所，2005.

[4] T. F. R. Carl. Pressure vessels External pressure technology 2nd.Oxford： Wood Head Press， 2011.

[5] Ronald DZ. Guide to Stability Design Criteria for Metal Structures [M]. 6th ed. New Jersey： John Wiley & Sons， Inc.； 2010.