夹层椭圆耐压壳极限强度研究：实验、数值模拟与理论分析的协同探索

针对传统单层椭圆耐压壳稳定性不足的问题，研究人员通过壳体液力成形技术制备了树脂夹层不锈钢椭圆耐压壳，结合实验测试、非线性有限元分析(FEA)和半解析方程，揭示了夹层结构通过树脂核心应力重分配提升极限强度的机制，为深海装备轻量化设计提供了新思路。

　　

在深海勘探和海洋资源开发领域，耐压壳体的稳定性直接决定装备的可靠性和寿命。传统圆柱形耐压壳因弯曲应力集中易发生屈曲失效，而具有正高斯曲率的椭圆壳体虽能通过膜作用分散压力，但单层结构仍面临强度不足的瓶颈。如何兼顾轻量化与超高稳定性，成为制约深海装备发展的关键难题。

中国的研究团队创新性地提出了一种夹层椭圆耐压壳设计：通过壳体液力成形技术将两片不锈钢薄板与树脂核心复合，形成"三明治"结构。研究发现，这种结构不仅比同体积单层椭圆壳强度提升200%，其树脂核心更通过应力屏障效应显著延缓屈曲发生。相关成果发表于《Marine Structures》，为深海装备设计提供了理论工具和工艺范本。

关键技术方法
研究采用壳体液力成形技术制备试样，通过几何偏差和壁厚分布测量验证制造精度；采用ABAQUS软件进行非线性有限元分析(FEA)模拟屈曲过程；基于数值结果建立半解析方程预测极限强度；最后通过静水压试验验证结构性能。

研究结果

1. 材料与方法
   双面不锈钢预成形件与树脂核心通过液力成形实现精准复合，厚度测量显示制造误差小于5%。

2. 结果与讨论

• 液力成形性能：成形压力曲线显示树脂核心有效抑制了不锈钢面板的局部变形；
• 实验破坏模式：静水压试验中壳体呈现对称屈曲波形，破坏压力达理论预测值的98%；
• 数值分析：FEA模拟揭示树脂核心通过剪切应力传递使不锈钢面板协同承载；
• 理论模型：建立的半解析方程预测误差在±7%以内。

1. 结论
   夹层结构使椭圆壳极限强度提升3倍，其中树脂核心承担31%的剪切应力。提出的半解析方程可作为设计准则，特别适用于工作水深超过3000米的装备。

意义与展望
该研究首次系统阐明了夹层椭圆壳的应力协同机制，其工艺-性能一体化设计思路可推广至深海探测器、海底管道等领域。未来研究可优化核心材料模量梯度分布，进一步提升耐压性能。国家自然科学基金(No.52471285)等项目的支持为后续研究奠定了基础。