基于蛋殼生物學(xué)特性的深海耐壓殼仿生研究.pdf

1、潛水器是大洋勘查與深?？茖W(xué)研究的重要裝備，而耐壓殼起著保障下潛過程中內(nèi)部設(shè)備正常工作和人員健康安全的作用，其重量占潛水器總重的1/4-1/2。現(xiàn)役深潛器耐壓殼多為球形結(jié)構(gòu)，其存在幾何缺陷敏感性高、水動力學(xué)特性差、殼內(nèi)空間利用率低等問題，故針對于此，本文提出一種新型結(jié)構(gòu)——蛋形耐壓殼替代球形耐壓殼。蛋殼是一種滿足正高斯曲線的多焦點(diǎn)、回轉(zhuǎn)型薄壁結(jié)構(gòu)，具有良好的重量強(qiáng)度比、跨距厚度比、流線型、美學(xué)特性、合理的材料分布等優(yōu)點(diǎn)，是一種優(yōu)異的仿生原

2、型，所以本文將通過理論、數(shù)值與試驗(yàn)相結(jié)合的方式，開展基于蛋殼生物學(xué)特性的深海耐壓殼仿生研究。本文主要研究內(nèi)容和結(jié)論如下：
　　(1)通過試驗(yàn)對蛋殼生物學(xué)特性進(jìn)行研究。通過開展鵝蛋殼尺寸、形狀、厚度等幾何參數(shù)測試分析，對蛋殼幾何特性進(jìn)行研究；通過開展材料力學(xué)參數(shù)測試及抗壓試驗(yàn)，對蛋殼抗壓能力進(jìn)行研究。結(jié)果表明蛋殼的長軸、短軸以及蛋形系數(shù)都滿足正態(tài)分布規(guī)律，且厚度分布呈現(xiàn)兩端小中間大的特點(diǎn)；在靜水壓力下蛋殼具有極強(qiáng)的抗壓能力，可以承受

3、約2t重的外載，且其破壞區(qū)域主要在中部，與數(shù)值模擬結(jié)果一致。
　　(2)基于薄殼理論對蛋形耐壓殼進(jìn)行仿生設(shè)計(jì)。首先，根據(jù)一般薄殼理論對蛋形殼體的強(qiáng)度與線彈性屈曲進(jìn)行推導(dǎo)；接著，根據(jù)N-R方程對蛋形耐壓殼的形狀設(shè)計(jì)進(jìn)行簡單闡述；最后，在蛋形殼體強(qiáng)度與屈曲理論的基礎(chǔ)上，并同時(shí)考慮塑性與脆性兩種材料，分別對蛋形耐壓殼采用等強(qiáng)度與等屈曲原則進(jìn)行壁厚的等厚與變厚設(shè)計(jì)，得出蛋形耐壓殼壁厚理論設(shè)計(jì)公式，為蛋形耐壓殼在深海潛水器中的應(yīng)用奠定理論基

4、礎(chǔ)。
　　(3)通過數(shù)值法對蛋形耐壓殼屈曲進(jìn)行研究。首先，確定4km水深下的蛋形耐壓殼等厚與變厚兩種設(shè)計(jì)方案，并對其進(jìn)行線彈性與彈塑性屈曲分析；接著，將蛋形耐壓殼與等效球形耐壓殼進(jìn)行對比分析；最后，研究壁厚與形狀對蛋形耐壓殼的屈曲影響規(guī)律。結(jié)果表明蛋形耐壓殼綜合性能優(yōu)于球形耐壓殼，當(dāng)?shù)靶文蛪簹ば螤钰吔谇蛐文蛪簹r(shí)，其缺陷敏感度將增加，且同等壁厚下，蛋形耐壓殼的缺陷敏感度低于球形耐壓殼，更加適用于深海潛水器。
　　(4)通過