中厚度深海蛋形耐压壳弹塑性失稳机理研究

The medium-thick spherical pressure hull is an important device and a buoyancy unit of deep sea submersibles. This pressure hull has advantages of highly geometric imperfection sensitivity, irrational hydrodynamics, inefficient space utilization, and so on. Therefore, we put forward a new geometry, an egg-shaped pressure hull, to take place of the spherical pressure hull. According to this geometry, the elastic-plastic instability mechanisms of medium-thick egg-shaped pressure hulls subjected to external pressure are explored in our proposal. Firstly, laboratory scale experiments and corresponding theory analysis for deep sea egg-shaped pressure hulls are performed to elaborate the elastic-plastic buckling models of medium-thick egg-shaped shells. In this way, the elastic-plastic buckling of deep sea egg-shaped pressure hulls are explored, along with the effects of geometrical and material parameters on the buckling. Secondly, initially equivalent geometric imperfections are introduced and imperfect laboratory scale egg-shaped shells are measured and tested to study the buckling analysis method of imperfect egg-shaped shells. Then, the sensitivity of the buckling loads of deep sea egg-shaped pressure hulls to the geometric imperfections as well as their buckling modes are investigated. Finally, laboratory scale experiments and corresponding theory analysis for deep sea egg-shaped pressure hulls with holes are performed to elaborate the buckling models of geometrically perfect and imperfect egg-shaped shells with holes. Using these models, we can make clear the effects of the hole parameters on the buckling, along with the buckling mechanism of imperfect deep sea pressure hulls with holes. The results will play an important role in developing an original deep sea pressure hull, ensuring the safety of submersibles, increasing the navigating and diving speed, reducing the equipment layout difficulty, and so on.

中厚度球形耐压壳是深海潜水器重要装置和浮力单元。本项目针对球形耐压壳存在几何缺陷敏感性高、水动力学特性差、壳内空间利用率低等问题，提出一种新型结构——蛋形耐压壳替代球形耐压壳，深入开展中厚度深海蛋形耐压壳在静水外压作用下弹塑性失稳机理研究。首先，开展深海蛋形耐压壳比例模型试验和理论分析，建立中厚度蛋形壳体弹塑性屈曲计算模型，研究深海蛋形耐压壳弹塑性屈曲特性，揭示几何材料参数对屈曲影响规律；其次，开展初始等效几何缺陷建模及缺陷壳体比例模型试验分析，探索缺陷蛋形壳体屈曲计算方法，研究深海蛋形耐压壳屈曲载荷对几何缺陷敏感性和失稳模式；最后，开展带孔比例模型试验和理论分析，分别建立带孔理想、带孔缺陷蛋形壳体屈曲分析模型，揭示开孔参数影响规律及开孔和缺陷共同作用下深海蛋形耐压壳屈曲机理。研究成果对研发原创性深海耐压壳、保障深海潜水器工作安全性、提高航行和下潜速度、降低壳内设备布置难度等具有重要意义。

针对球形耐压壳存在几何缺陷敏感性高、水动力学特性差、壳内空间利用率低等问题，提出了一种新型结构——蛋形耐压壳替代球形耐压壳，深入开展了中厚度深海蛋形耐压壳在静水外压作用下弹塑性失稳机理研究。成果如下：.首先，开展深海蛋形耐压壳比例模型试验和理论分析，建立了中厚度蛋形壳体弹塑性屈曲计算模型，研究了深海蛋形耐压壳弹塑性屈曲特性，揭示了几何材料参数对屈曲影响规律；其次，开展初始等效几何缺陷建模及缺陷壳体比例模型试验分析，探索了缺陷蛋形壳体屈曲计算方法，研究了深海蛋形耐压壳屈曲载荷对几何缺陷敏感性和失稳模式；最后，开展带孔比例模型试验和理论分析，分别建立了带孔理想、带孔缺陷蛋形壳体屈曲分析模型，揭示了开孔参数影响规律及开孔和缺陷共同作用下深海蛋形耐压壳屈曲机理。此外，在球形耐压壳抗压预报、波纹形耐压壳屈曲分析、桂圆形耐压壳仿生设计等方面也取得了一定成绩。.负责人在项目执行期间，入选江苏省高校优秀科技创新团队带头人、江苏省333工程中青年学术技术带头人、江苏省六大人才高峰高层次人才、江苏省科协青年科技托举人才、镇江市有突出贡献的中青年专家；新增主持国家自然科学基金面上项目1项、江苏省自然学科基金优秀青年项目1项、其他国家项目2项；第一或通讯作者发表与本项目相关的学术论文20篇，其中SCI 16篇、EI 2篇；第一作者出版英文学术著作1部；第一发明人申报发明专利8项，其中授权中国发明专利1项、国际发明专利3项；应邀参加国内外学术交流4次；培养硕士生11名，其中江苏省优秀硕士论文1部。超额完成了合同规定的各项任务和指标。.项目核心成果应用于大深度潜水器的载人舱、可调压载水舱、电子舱、舱盖等耐压壳体研发，建成深渊科学技术流动实验室，先后开展了30多潜次万米下潜科考活动，受到中央电视台、东方卫视、《辉煌中国》等媒体广泛报道，第三完成人获2020年度上海市科技进步二等奖1项，为国家深远海资源勘探开发、深海科学技术发展提供重要支撑。