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原文传递异形仿生耐压壳屈曲行为研究

论文题名：	异形仿生耐压壳屈曲行为研究
关键词：	潜水器;异形耐压壳;屈曲行为
摘要：	海水中蕴含了丰富的生物和化学资源，为了探测和开发海洋资源，潜水器耐压壳的研究就至关重要。本文从仿生学角度提出了几种新型的耐压壳结构，建立了参数化数学模型，研究它们在线弹性和非线性下的屈曲模态和屈曲载荷与结构参数的变化关系。探究了加肋结构对壳体稳定性的影响，并推导了耐压壳在线弹性下的屈曲载荷公式和非线性下的极限载荷公式，可以为耐压壳的结构设计提供一定的参考。主要内容与结论如下：　　（1）从常见生物中抽象出了球形、椭球形、扁椭球形、蛋形和杏仁形结构，推导出了耐压壳的统一数学模型。从理论和数值仿真两个方面研究了耐压壳在线弹性下的屈曲行为，发现耐压壳的屈曲模态与其对称性有关，对称性越好，屈曲模型凹凸变化越规则越明显。耐压壳临界屈曲载荷的理论值与仿真值大致相同，其误差均在10%以内。其中球壳的误差最小，椭球壳和蛋形壳的误差略大。然后，探究了壳体稳定性与结构尺寸的关系。发现随着壳体厚度的增加，各类型壳体的临界屈曲载荷均会显著提升。另外，耐压壳的稳定性随宽长比的增加而变大，随宽高比和蛋形角的增加而减小，而且宽长比和宽高比的影响要大于蛋形角，说明旋转对称性相比平面对称性对结构稳定性状态的保持更为重要。接着，研究了加肋结构对耐压壳稳定性的影响，发现加肋结构可以提高壳体的稳定性，其中环向加肋的效果远高于纵向加肋。在肋板总体积不变的前提下，肋板厚度对壳体稳定性几乎没有影响，而肋板数量对壳体稳定性的影响较大。而且肋板数量存在最优解，不宜过多，也不宜过少。　　（2）利用非线性屈曲分析，研究了结构缺陷和弹塑性对耐压壳屈曲模态和极限载荷的影响。发现由于考虑了初始缺陷，结构的屈曲模态不再具有对称性，而是向着缺陷处不断坍塌，直至完全失稳。另外，初始缺陷会降低结构所能承受的极限载荷，初始缺陷的影响与厚度有关，厚度越大，缺陷对极限载荷的影响就越大。初始缺陷的影响也与结构的形状有关。其中，球壳受初始缺陷的影响最大，扁椭球壳和杏仁壳次之，椭球壳和蛋形壳受到的影响最小。通过弹塑性研究，发现塑性也会降低结构所能承受的极限载荷，降低幅度与其对称性有关，结构的对称性越好，塑性对其极限载荷的影响就越大。另外，随着屈服强度和应变硬化指数的增加，各耐压壳的极限载荷均会得到提升。　　（3）通过理论和数值解析，推导出了各耐压壳在线弹性下的临界屈曲载荷公式，以及非线性下的极限承载公式，并验证了其准确性。在非线性分析中，考虑了初始缺陷和材料塑性的影响，与实际情况较接近。
作者：	叶广岛
专业：	船舶与海洋工程
导师：	孙家斌
授予学位：	硕士
授予学位单位：	大连理工大学
学位年度：	2021