基于MATLAB软件开发外压容器稳定性实验控制系统

尤少炜　朱春禹　张德林　王金玲

摘要：针对现有基于VB开发的外压容器失稳实验测试系统拓展性较差、兼容性不好等缺点，项目组成员经过充分讨论，提出基于工程计算软件MATLAB，开发外压容器稳定性实验测试程序和控制系统，并且进行功能扩展和完善。经过对MATLAB的学习与实践，成功编制了外压容器失稳测试实验计算机控制系统并能进一步拓宽成果用于实际实验测试。

关键词：MATLAB；外压容器；失稳；实验控制系统

1.引言

外压容器失稳教学实验是将容器在外压作用下造成失稳变形的一种典型实验，具有操作简单、结果直观等特点，故长期被作为过程装备与控制工程专业开设专业实验课的必选实验。由于早期实验测试程序是基于VB6.0开发的，一直以来存在两个显著的缺点：一是功能拓展性较差，测试数据和参量有限；二是兼容性不好，目前无法应用于Win7，Win8及64位系统。为此，笔者针对传统验证型外压容器失稳实验的不足，采用大型工程软件MATLAB开发外压容器稳定性实验测试程序和控制系统，便于监控外压容器稳定性，确保实验过程的安全性。

2.外压容器失稳理论及外压容器实验测试系统介绍

2.1外压容器及其稳定性说明

在外压作用下，筒体突然失去原有形状的现象称为弹性失稳。容器发生弹性失稳将使容器不能维持正常操作，造成容器失效。外压圆筒在失稳以前，筒壁内只有单纯的压缩应力。在失稳时，由于突然的变形，在筒壁内生了以弯曲应力为主的附加应力，而且这种变形和附加应力一直迅速发展到筒体被压瘪或发生褶绉为止。所以外压容器的失稳，实际上是容器筒壁内的应力状态由单纯的压应力平衡跃变为主要受弯曲应力的新平衡。

容器的失稳形式有整体失稳和局部失稳两种。本实验测试系统研究的是实验试件整体失稳的情况，整体失稳根据失稳方向分为侧向失稳和轴向失稳两种[1]。

容器由于均匀侧向外压引起的失稳叫做侧向失稳。侧向失稳时壳体横断面由原来的圆形被压瘪而呈现波形，其波形数可以等于两个、三个、四个。轴向外压则引起容器轴向失稳，变形为径线由直线变为曲线。

2.2外压容器实验及测试系统说明

外压容器失稳实验是将容器在外压作用下造成失稳变形的一种教学实验，也是压力容器失效破坏的一个典型教学演示实例，它具有操作简单、结果直观等特点，被作为过程装备与控制工程专业开设专业实验课的首选实验。国内高校如浙江大学、南京工业大学等一直致力于稳定性测试装置的研究和开发。

3.基于MATLAB软件开发外压容器稳定性实验控制系统

3.1MATLAB软件简介

MATLAB是美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境，它将数值分析、矩阵计算、科学数据可视化以及非线性动态系统的建模和仿真等诸多强大功能集成在易于使用的视窗环境中，为科学研究、工程设计以及必须进行有效数值计算的众多科学领域提供了一种全面的解决方案，并在很大程度上摆脱了传统非交互式程序设计语言的编辑模式，代表了当今国际科学计算软件的先进水平。

3.2基于MATLAB软件开发实验系统

以下为初始界面的源代码

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.總结

应用先进工程计算软件MATLAB实现外压容器稳定性实验测试程序的开发，为外压容器失稳实验提供了更加良好的测试环境，也为相关教学提供了一个更加便捷的工具。同时本研究克服外压容器稳定性传统实验测试系统兼容性和功能拓展性不好等问题，使得系统控制方面更为完善。由于笔者水平和时间有限，因此开发的实验系统仍有不足之处，希望在今后的研究中逐步克服，以期为过程装备与控制工程专业教学尽绵薄之力。

5.附录（部分界面截图）

参考文献

[1] 李志义，喻健良，刘志军.过程机械（上册）-过程容器及设备[M].北京：化学工业出版社，2008.

[2] 张宗尧，赵石军.基于 ANSYS 的外压容器稳定性分析 [J] 一重技术，2010

[3] 郑津洋.我国承压设备学的研究现状和优先研究领域[R].浙江：浙江大学化工机械研究所，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.