周向波纹圆柱壳屈曲特性试验研究
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作者:吴海建 张山 李胜秋
摘 要：本文研究了在均布外压作用下，周向波纹圆柱壳的非线性屈曲问题，以及波纹幅值对屈曲的影响。首先，采用3D打印技术制作了6个树脂波纹圆柱壳，相同幅值的模型均打印了2个，测量了其真实壁厚和真实圆柱壳的几何形状，并进行静水压力试验，然后用专业软件对真实圆柱壳体进行非线性分析。有限元计算和试验结果一致表明，随着波纹幅值的增大，圆柱壳抵抗屈曲变形的能力也随之增大，并且真实圆柱壳的后屈曲失稳模式与试验模型的破坏形式一致。
关键词：柱形壳 周向波纹 屈曲 静水压力试验 有限元分析
中图分类号：P755.2 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2020）03（c）-0089-03
Abstract： The paper focuses on the nonlinear buckling of circumferentially corrugated cylindrical shells under uniform external pressure， along with the effects of corrugation form and amplitude on the buckling. First， 6 resin corrugated cylindrical shells are produced using 3D printing technology， two models of the same amplitude are printed， the true wall thickness and the geometry of the real cylindrical shell are measured， and hydrostatic pressure tests is performed.. Then， then the nonlinear analysis of the real cylindrical shell is carried out by professional software. The results of finite element calculation and experiment consistently show that as the amplitude of the corrugation increases， the ability of resisting buckling deformation of cylindrical shell increases， and the post-buckling instability mode of the real cylindrical shell is consistent with the failure mode of the experimental model.
Key Words： Circular cylindrical shell;Circumferential corrugation;Buckling;hydrostatic test;Finite element analysis
潜水器是深海探测重要科学工具，耐压壳是潜水器的关键部件，其重量占潜水器总重的1/4-1/2[1]，它能承受海水的巨大压力，为工作人员提供安全的工作环境，使设备正常工作。柱形壳是一种常用的耐压结构，其特点是空间利用率高、流体运动阻力小、制造方便。但是这些圆柱壳在承受外压时容易发生屈曲，往往导致无法恢复的坍塌。
一般来说，存在许多提高圆柱壳屈曲能力的方法。首先，改变子午线形状是一种有效的方法。例如，Blachut和其同事研究发现等质量的桶形壳具有比未加筋圆柱壳更高的屈曲能力[2-3]。最近，張建等人，研究了卵形壳及其在海洋工程中的应用[4-5]，发现长卵形压力壳对屈曲行为具有有效的抵抗。另一种方法是添加加强筋或波纹来提高圆柱壳的屈曲能力[6-7]。在这些加强方法中，波纹加强是最优的选择，其不需要额外的加强筋就能够提高柱形壳的屈曲能力。Ross等[8]对周向波纹圆柱形耐压壳的非线性屈曲进行了理论、数值和试验研究，Ghazijahani等[7]采用试验法研究了波纹个数对周向波纹圆柱壳屈曲特性的影响。但是，上述研究都是基于相同幅值的波纹柱壳，对不同幅值的波纹柱壳研究较少。
因此，本文讨论了静水压力作用下波纹圆柱壳的幅值对其屈曲特性的影响。采用3D打印技术制作了6个树脂波纹圆柱壳，用三维扫描技术获得真实的波纹柱壳三维模型，并测量壳体的壁厚;然后进行静水压力试验，并采用有限元法计算真实柱壳的非线性屈曲特性;结果表明，试验结果与有限元计算吻合良好。
1 试验研究
1.1 选择材料与加工方法
考虑到模型的加工便捷，试验模型采用3D打印技术，选择树脂作为波纹圆柱壳的打印材料，弹性模量：E=2122.92MPa，泊松比μ=0.3284;密封盖材料：弹性模量E=207GPa、泊松比μ=0.3。如图1所示，模型的直径D=160mm，高度H=230mm，壁厚t=2mm，正弦波纹均匀的分布在柱壳上，波纹幅值h=0，2.5，5（当h=0时柱壳是光柱），波纹跨距S=20mm，密封盖厚度T=10mm。如图2，为了证明试验的可重复性，相同参数的模型均打印了2个，一共打印了6个模型。选择金属板材作为柱壳的密封盖，用高强度胶水将柱壳与密封盖粘结在一起。
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