桂圆形耐压壳仿生设计及屈曲机理研究

摘要

耐压结构是海洋工程装备的关键部件和浮力单元，起着保证非耐压设备正常工作或人员健康安全的重要作用。球形结构为传统耐压壳的最优选择，但其存在对初始缺陷敏感以及失稳位置未知等问题。故针对以上问题，本文以干桂圆为仿生原型，开展桂圆形耐压壳仿生设计及其屈曲机理研究，设计一种对初始缺陷不敏感、失稳位置可预测且承载能力高的耐压壳，本文主要研究内容如下： （1）开展桂圆形耐压壳仿生设计研究。首先，测量干桂圆的尺寸、形状与厚度，研究干桂圆的几何特性；接着，根据描述桂圆壳轮廓的方程，对桂圆形耐压壳的轮廓形状进行设计，并阐述一般仿生设计的原则；最后，对干桂圆进行静水压力试验，研究干桂圆的抗压特性。结果表明干桂圆的长度、宽度、高度以及形状系数都符合正态分布，且宽度和高度近似相等；桂圆壳的轮廓形状可采用卡西尼卵形线方程进行描述；桂圆壳的破坏载荷随着桂圆壳厚径比的增大而增加。 （2）开展形状系数对桂圆形耐压壳屈曲影响规律研究。首先，采用等体积原则，建立不同形状系数的桂圆形耐压壳数学模型；然后，对各桂圆形耐压壳数学模型进行线弹性与非线性屈曲分析。结果表明理想桂圆形耐压壳的线弹性屈曲载荷随着形状系数的增大先单调下降，在拐点之后，线弹性屈曲载荷虽然存在一定的波动，但是整体上明显增加；除形状系数为0.1的桂圆形耐压壳外，形状系数对桂圆形耐压壳的非线性屈曲载荷的影响与形状系数对桂圆形耐压壳的线弹性屈曲载荷的影响基本一致，且带有缺陷的壳体的平衡路径可分为三种类型，即不稳定路径、亚稳定路径以及稳定路径。 （3）开展桂圆形耐压壳轮廓形状优选研究。首先，以直径2m的球形耐压壳为准，采用等体积原则，建立桂圆形耐压壳数学模型；然后，通过对桂圆形耐压壳数学模型进行线弹性与弹塑性屈曲分析，获得桂圆形耐压壳轮廓形状的优选区间。结果表明，桂圆形耐压壳的轮廓优选区间为0.09~0.15，且其最优区间为0.10~0.11。 （4）开展桂圆形耐压壳屈曲试验研究。首先，分别采用冲压成型技术与快速成型技术制造桂圆形耐压壳比例模型；其次，对比例模型进行三维扫描、厚度测量与静水压力试验；最后，采用数值法对扫描模型进行分析，研究其屈曲特性。结果表明，金属桂圆形耐压壳发生弹塑性屈曲失稳，试验结果与数值结果相一致；形状系数为0.1的树脂桂圆形耐压壳的极限承载能力高于树脂球形耐压壳的极限承载能力，树脂耐压壳发生线弹性屈曲失稳，且试验结果与数值结果相一致，打破了球形结构为耐压壳的最优选择的传统思维定式。

目录

声明

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 壳类仿生研究现状

1.2.1 仿生设计研究现状

1.2.2 壳类仿生研究现状

1.3 壳体屈曲研究现状

1.3.1 计算方法研究

1.3.2 壳体屈曲研究

1.4 本文研究内容

第2章 桂圆形耐压壳仿生设计

2.1 桂圆壳几何参数测量

2.1.1 尺寸测量与分析

2.1.2 形状测量与分析

2.1.3 厚度测量与分析

2.2 桂圆形耐压壳仿生设计方法

2.2.1 桂圆形耐压壳几何参数模型

2.2.2 桂圆形耐压壳3D模型建模方法

2.3 桂圆壳抗压特性试验研究

2.3.1 材料与方法

2.3.2 结果分析与讨论

2.4 本章小结

第3章 形状系数对桂圆形耐压壳屈曲影响规律

3.1 桂圆形耐压壳数值模型设计

3.2形状系数对桂圆形耐压壳线弹性屈曲影响规律

（1）桂圆形耐压壳数值模型

（2）结果分析与讨论

3.3形状系数对桂圆形耐压壳非线性屈曲影响规律

3.4 本章小结

第4章 桂圆形耐压壳轮廓形状优选

4.1 桂圆形耐压壳数学模型设计

4.2 桂圆形耐压壳线弹性屈曲特性分析

（1）桂圆形耐压壳数值计算

（2）结果分析与讨论

4.3 桂圆形耐压壳弹塑性屈曲特性分析

4.4 本章小结

第5章 桂圆形耐压壳屈曲试验研究

5.1 基于冲压成型的比例模型试验研究

5.1.1 材料与方法

5.1.2 结果分析与讨论

5.2 基于快速成型的比例模型试验研究

5.2.1 材料与方法

5.2.2 结果分析与讨论

5.3 本章小结

总结与展望

1、总结

2、创新点

3、展望

参考文献

附录

攻读硕士学位期间学术成果及科研项目

致谢