复合材料蛋形壳在静水压力下的屈曲行为研究

摘要

深潜器的耐压壳起着抵御深海水压，庇护深潜器内部操纵人员和机械器具安全的重要功能。本文考虑了生物界蛋壳的优良特性，研究了一种蛋形耐压壳体，采取现有的蛋壳数学模型，建立蛋形耐压壳模型，对蛋壳形状、蛋壳厚度、壳体内部加筋体结构、壳体材料以及壳上开孔等因素对壳体稳定性的影响进行了分析。主要内容与结论如下： （1）解析蛋形耐压壳数学参数，给出蛋形曲线图和方程，推导蛋形壳经向曲率半径、纬向曲率半径、蛋形系数、体积公式等运算方式，并给出蛋形耐压壳的线弹性理论解公式；结合耐压壳的设计因素和耐压壳稳定性失效与四种等体积常规壳型进行对比，蛋形耐压壳的各项功用均较好，验证了蛋形耐压壳的设计可行性。 （2）对金属（各项同性）材料蛋形耐压壳体进行特征值屈曲（线性）分析，参照常用球壳的体积（直径为2m），建立金属蛋壳模型，在不同壳体厚度下，蛋形耐压壳体的屈曲临界载荷的模拟值与理论解相差在15%以内，屈曲位置发生在蛋形耐压壳体的腰部，理论值偏大；接着分析了在壳体内部加筋的影响，结果表明加筋能够有效提高壳体稳定性，且相比于加纵向筋，环向筋的加载对稳定性能提高更显著，网格加强筋对壳体稳定性的增强效果最好；通过正交试验分析壳体厚度对蛋形耐压壳体的稳定性影响最大；其次是加筋方式，加环筋方式要比加纵筋方式影响大，但总体影响效果优于加筋体厚度；对稳定性影响最差的是加筋体厚度。 （3）对复合材料含损伤蛋壳非线性屈曲进行了分析。提出动力显式结合Hashin损伤失效准则的模拟方法，分析了不同蛋形系数下的壳体屈曲性能，结果表明蛋形结构不能过于细长，也不能过于矮胖，蛋形系数取0.7到0.8之间较好，蛋形结构的腰部承压要优于底部承压；通过考虑材料损伤与否的对比，屈曲后具有材料损伤的壳体的位移载荷曲线更低，屈曲状态也有所区别，而其临界屈曲载荷差距无几；通过分析复合材料的分布方式对壳体稳定性影响，Gpl-epo和Fib-gpl-epo材料的X型分布优于O型分布优于A型分布优于V型分布，且随着壳体层数、最高层强度的增大越明显；不同的碳纤维铺层方向也有影响，[0/90]10S的碳纤维铺层方式屈曲性能最好，[90/0]10S的碳纤维铺层方式屈曲性能次之，[45/-45]10S的碳纤维铺层方式屈曲性能最差；对壳体头部开孔（单孔）、头部底部开孔（双孔），以及开孔半径对壳体稳定性进行了分析，开孔会降低稳定性，半径越大降低越多，开孔半径达到200mm时，单孔减小了9.34%，双孔减小了14.47%，且通过减小蛋形系数，为0.7时，双孔的屈曲位置会由壳体底部转移到腰部。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 深潜器耐压壳研究现状

1.3 仿生蛋形耐压壳研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 蛋形耐压壳结构特性

2.1 耐压壳结构形状分析

2.1.1 耐压壳设计因素

2.1.2 耐压壳稳定性失效

2.2 蛋形耐压壳结构形状分析

2.2.1 蛋形耐压壳数学模型

2.2.2 蛋形耐压壳屈曲问题的理论分析

2.3 本章小结

3 各项同性材料蛋壳线性屈曲分析

3.1 线性（特征值）屈曲分析介绍

3.2 蛋壳特征值屈曲数值模拟

3.2.1 蛋形耐压壳建模

3.2.2 边界条件

3.2.3 网格划分

3.3 金属蛋壳屈曲结果与讨论

3.3.1 理论值与数值结果对比

3.3.2 加筋体结构对壳体稳定性影响

3.4 本章小结

4 含损伤复合材料蛋壳非线性屈曲分析

4.1 数值模拟分析方法介绍

4.1.1 动力显式分析方法介绍

4.1.2 二维Hashin失效准则

4.2 动力显示屈曲数值模拟

4.2.1 壳体建模

4.2.2 复合材料

4.2.3 分析步与边界条件

4.2.4 网格设置

4.3 复合材料蛋壳屈曲结果与讨论

4.3.1 蛋形系数的影响

4.3.2 材料损伤的影响

4.3.3 材料分布的影响

4.3.4 壳体开孔的影响

4.4 本章小结

结论

1、总结

2、创新点

3、展望

参 考 文 献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢

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