基于MATLAB軟件開發外壓容器穩定性實驗控制系統

尤少煒　朱春禹　張德林　王金玲

摘要：針對現有基于VB開發的外壓容器失穩實驗測試系統拓展性較差、兼容性不好等缺點，項目組成員經過充分討論，提出基于工程計算軟件MATLAB，開發外壓容器穩定性實驗測試程序和控制系統，并且進行功能擴展和完善。經過對MATLAB的學習與實踐，成功編制了外壓容器失穩測試實驗計算機控制系統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；實驗控制系統

1.引言

外壓容器失穩教學實驗是將容器在外壓作用下造成失穩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開設專業實驗課的必選實驗。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，測試數據和參量有限；二是兼容性不好，目前無法應用于Win7，Win8及64位系統。為此，筆者針對傳統驗證型外壓容器失穩實驗的不足，采用大型工程軟件MATLAB開發外壓容器穩定性實驗測試程序和控制系統，便于監控外壓容器穩定性，確保實驗過程的安全性。

2.外壓容器失穩理論及外壓容器實驗測試系統介紹

2.1外壓容器及其穩定性說明

在外壓作用下，筒體突然失去原有形狀的現象稱為彈性失穩。容器發生彈性失穩將使容器不能維持正常操作，造成容器失效。外壓圓筒在失穩以前，筒壁內只有單純的壓縮應力。在失穩時，由于突然的變形，在筒壁內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展到筒體被壓癟或發生褶縐為止。所以外壓容器的失穩，實際上是容器筒壁內的應力狀態由單純的壓應力平衡躍變為主要受彎曲應力的新平衡。

容器的失穩形式有整體失穩和局部失穩兩種。本實驗測試系統研究的是實驗試件整體失穩的情況，整體失穩根據失穩方向分為側向失穩和軸向失穩兩種[1]。

容器由于均勻側向外壓引起的失穩叫做側向失穩。側向失穩時殼體橫斷面由原來的圓形被壓癟而呈現波形，其波形數可以等于兩個、三個、四個。軸向外壓則引起容器軸向失穩，變形為徑線由直線變為曲線。

2.2外壓容器實驗及測試系統說明

外壓容器失穩實驗是將容器在外壓作用下造成失穩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開設專業實驗課的首選實驗。國內高校如浙江大學、南京工業大學等一直致力于穩定性測試裝置的研究和開發。

3.基于MATLAB軟件開發外壓容器穩定性實驗控制系統

3.1MATLAB軟件簡介

MATLAB是美國MathWorks公司出品的商業數學軟件，用于算法開發、數據可視化、數據分析以及數值計算的高級技術計算語言和交互式環境，它將數值分析、矩陣計算、科學數據可視化以及非線性動態系統的建模和仿真等諸多強大功能集成在易于使用的視窗環境中，為科學研究、工程設計以及必須進行有效數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軟件開發實驗系統

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實現外壓容器穩定性實驗測試程序的開發，為外壓容器失穩實驗提供了更加良好的測試環境，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定性傳統實驗測試系統兼容性和功能拓展性不好等問題，使得系統控制方面更為完善。由于筆者水平和時間有限，因此開發的實驗系統仍有不足之處，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：化學工業出版社，2008.

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

[3] 鄭津洋.我國承壓設備學的研究現狀和優先研究領域[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.