耐压壳体结构设计的国内外研究现状

载人潜水器的耐压壳体是潜水器承受深水高压的核心组件，它是确保载人潜水器总体性能的关键所在。设计耐压壳体是载人潜水器设计的第一步。它是确保整个载人潜水器和科研人员人身安全最重要的模块。它受到巨大的海水压力，必须做到符合标准的临界失稳力、抗压强度和稳定性，并且为耐压壳内部的各种电子设备、科研工具和科研人员提供良好的工作生活空间。此外，为了抵抗海水压力和阻隔腐蚀对仪器的破坏，耐压壳体必须具有极好的密封性[7]。

1、国内外研究的理论成果

耐压壳体结构设计主要涉及薄壳理论、稳定性理论、屈曲分析理论、强度稳定性理论等。Love结合了Kirchhoff假设，他提出了两个对薄壳体产生变形的假设即“薄壳变形前后与中曲面垂直的直线位置和长度保持不变。”和“在与其他应力相比的情况下，可以忽略不计平行于中曲面的素面上产生的正应力。”据此薄壳非线性理论就是在这著名的Kirchhoff-love假设上建立起来，他的这个假设奠定了薄壳理论的基础[8]。确定失稳临界载荷是耐压壳体壳稳定性研究的主要内容。但是在近代稳定性理论将核心问题围绕在对后屈曲性态的研究。冯·卡门和钱学森[9]在20世纪40年代初对于这个方面展开了大量研究。一开始他们提出了关于在非线性大挠度情况下的稳定性理论，开始了研究后屈曲性态的格局。接着他们通过实验指出薄壳稳定性理论中的重要作用是载荷-位移的非线性关系，发表了非线性变形的“跳跃”理论。在1942年，钱学森[10]在非线性“跳跃”理论的基础上，又探讨出表明这种“跳跃”理论条件——“等能量准则”。

在60年代中叶，施泰因[11]思考了失稳前应力的不均匀性，然后计算了支承边界条件的影响，发表了前屈曲一致理论。布第扬斯基[12,13]通过运用前屈曲一致理论，计算了扁球壳在简支和四周固定支承两种情况下的轴对称屈曲分析，然后对非轴对称屈曲同样做了比较分析。DonnellL.H.[14]着重研究了其原始缺陷的作用。在1945年，科伊特[15]发表了计算初始缺陷作用的初始后屈曲理论。现代人将初始条件的后屈曲理论、前屈曲一致性理论和非线性的大挠度形变理论合称为近代稳定性理论三大组成部分。

目前可以学习到国内外有很多针对薄壳计算其稳定性理论的资料。吴连元[16]等对进行了薄壳弹性分析。陈铁云[17]和黎绍敏[18]讨论了塑性理论。别茹霍夫[19]、B.B.诺沃日洛夫[20]等外国学者专门针对圆柱壳体，以及球壳体失稳的现象进行了屈曲分析。李华[8]研究了在深薄球壳施加横向的载荷，球壳发生的静态非线性力学行为，通过计算大挠度值，简化了深薄球壳的计算基本方程，得出了解决非线性屈曲问题的基本方程。

还有很多专家针对球壳求解出了近似的稳定性计算方程。计算球壳稳定性的实用方法主要有Berch公式和卡门-钱学森公式，日本的学者通常运用德川公式,美国海军则用其自己拟定的耐压球壳设计公式，在俄罗斯使用俄国实际临界压力公式，此外我国还有运用“郑衍双临界压力公式”的方法计算球壳稳定性。

在计算了材料非线性作用的情况下，刘涛[21]改进了Von-Mises公式，得出了计算耐压壳体屈曲压力的公式，并且该屈曲分析公式的正确性得到了充分验证。赵均海[22]在俞茂宏提出的统一强度理论基础上，单独计算了材料拉压强度不等情况下的厚壁圆筒还有厚壁球壳的统一极限载荷，这样可以使球壳材料能够充分发挥其基本性能。