基于复合材料的新型多平面加强柱壳结构的综合优化研究

多平面加强柱壳（Polyhedrally-Stiffened Cylindrical Shell）是可用于水下深潜器耐压结构的一新型结构形式。该结构是由多三角形或梯形平面在空间上平面与平面间周期性按一定夹角连接所构成的似圆柱壳结构。研究表明与传统加肋圆柱壳相比，该结构抵抗屈曲的能力大幅度提高；结构性能受初始缺陷的影响小；结构的质量与排水量之比明显降低。研究也发现该结构在静水压力下的轴向位移和平面间连接处的弯曲应力有所增大；另外，该结构复杂的外形给传统金属材料成型带来了极大困难。本项目利用玻璃或碳纤维增强等复合材料的易成形及自身可设计特性，融合结构力学和复合材料力学，在分析该结构力传递及变形机理的基础上，以改善该结构轴向位移及连接处弯曲应力为焦点，探索结构的力学特性与复合材料设计之间的相关关系，实现通过复合材料设计来提高该结构综合性能的目标，为该结构在深潜器耐压结构上的工程应用奠定理论基础。

多平面加强柱壳（Polyhedrally-stiffened Cylindrical Shell）是可用于水下深潜器耐压结构的一种新型结构。本项目基于对复合材料特性的研究，对多平面加强柱壳进行了理论分析和实验研究。研究表明，多平面加强柱壳表面折叠能够有效提高其轴向和周向抗弯刚度，这使得其具有抗屈曲能力强、对结构缺陷不敏感等优点；但是同时会使得其轴向刚度不足，尖点处应力集中明显等缺点。分析了不同因素对复合材料层合板性能的影响，进行了泡沫夹芯复合材料性能试验，提出了其结构失效判定方法，并在此基础上对复合材料大型船舶海洋结构物的仿真方法进行了研究。针对多平面加强柱壳的缺点提出了一种改进形式—折角加强多平面柱壳，对比分析表明在折角处加强能够有效的提高多平面柱壳的轴向刚度，减缓尖点应力集中现象。完成了复合材料多平面加强柱壳试验，试验结果与仿真结果相近，试验过程中发现多平面加强柱壳发生破坏的主要形式为局部失稳。