圆柱壳结构被广泛用作海底管道、深海潜水器和其他工程领域的承重结构，失稳屈曲是其主要失效模式。这将对水下设备的结构造成严重损坏，并导致重大灾难和经济损失。近年来，复合材料圆柱壳以其优异的力学性能和轻量化特性引起了广泛的关注。已有研究集中在中等厚度复合材料圆柱壳的静水屈曲行为上。为了确定其横向剪切变形，研究者基于一阶剪切变形理论（FOSDT）建立了中厚圆柱壳的临界屈曲压力理论。然而，目前的研究主要集中在中厚复合材料圆柱壳临界屈曲压力的预测上，忽略了基于理论模型的参数分析与优化。本文提供了一种准确、快速、低成本的方法来研究和优化中等厚度复合材料圆柱壳的物理参数（例如几何尺寸和铺层角）。研究结果为水下耐压壳体的设计与优化提供了有用的参考。
近日，哈尔滨工程大学吴林志教授团队在前期研究基础上，通过建立屈曲理论模型对中等厚度碳纤维圆柱壳进行了参数优化，研究成果以“Buckling analysis of moderately thick carbon fiber composite cylindrical shells under hydrostatic pressure”为题发表于Applied Ocean Research上。
该研究以中等厚度碳纤维圆柱壳为研究对象，基于一阶剪切变形理论建立用于预报其临界静水压强度的理论模型。在理论模型中，将碳纤维两端端帽简化为两端简支约束。
图1 （a）圆柱壳的几何尺寸和坐标系；（b）简支约束和外压
为验证上述理论模型的准确性，进行了静水压测试。然而，由静水压测试是在密闭的海洋环境模拟装置中进行，无法实时观测碳纤维圆柱壳的失效模式。利用三维有限元模型则可以解决这一问题。通过VUMAT子程序的方式将Hashin失效准则引入有限元仿真中，模拟碳纤维圆柱壳的真实失效过程。
图2 三维有限元模型和网格收敛性分析
理论结果和实验结果的最大误差为15%左右，因此可以认为上述建立的理论模型相对准则。仿真结果和实验结果的最大误差为10%左右，并且仿真结果表明碳纤维圆柱壳的失效模式为环向屈曲失效。
图3 碳纤维圆柱壳的理论、仿真和实验结果的对比性研究
结果指出了理论模型的适用范围。当圆柱壳的厚度增加，其稳定性增加。当厚度超过一定范围，圆柱壳的失效模式由失稳屈曲转变为因强度不足引起的压溃失效。此外，当圆柱壳的长度减小，其稳定性增加的同时在端帽位置出现较为严重的应力集中。这也会导致理论模型的准确性降低。
图4 失效模式分析
在适用范围内，可以适用理论模型对碳纤维圆柱壳进行快速、准确的参数优化。不同的碳纤维铺层方式对应着不同的最佳铺层角度。结果表明，经过优化，中等厚度的碳纤维圆柱壳的临界屈曲强度被提升了18.55%。
图5 参数分析及优化
总的来说，本文详细研究了中厚碳纤维圆柱壳的静水压屈曲行为。提出了预测复合材料壳体临界屈曲压力的理论模型。通过有限元模拟和实验测试验证了数值解的有效性。通过参数分析讨论了物理参数对临界屈曲压力的影响。
哈尔滨工程大学博士研究生丛芳林为论文的第一作者，论文合作者还包括哈尔滨工程大学的靳洋老师，于国财教授和吴林志教授。论文工作得到国家自然科学基金和黑龙江省头雁团队项目的资助。
原文链接：
https://doi.org/10.1016/j.apor.2024.104272
审核：力学家
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