潜水器是大洋勘查与深海科学研究的重要装备,而耐压壳起着保障下潜过程中内部设备正常工作和人员健康安全的作用,其重量占潜水器总重的1/4-1/2。现役深潜器耐压壳多为球形结构,其存在几何缺陷敏感性高、水动力学特性差、壳内空间利用率低等问题,故针对于此,本文提出一种新型结构——蛋形耐压壳替代球形耐压壳。蛋壳是一种满足正高斯曲线的多焦点、回转型薄壁结构,具有良好的重量强度比、跨距厚度比、流线型、美学特性、合理的材料分布等优点,是一种优异的仿生原型,所以本文将通过理论、数值与试验相结合的方式,开展基于蛋壳生物学特性的深海耐压壳仿生研究。本文主要研究内容和结论如下:(1)通过试验对蛋壳生物学特性进行研究。通过开展鹅蛋壳尺寸、形状、厚度等几何参数测试分析,对蛋壳几何特性进行研究;通过开展材料力学参数测试及抗压试验,对蛋壳抗压能力进行研究。结果表明蛋壳的长轴、短轴以及蛋形系数都满足正态分布规律,且厚度分布呈现两端小中间大的特点;在静水压力下蛋壳具有极强的抗压能力,可以承受约2t重的外载,且其破坏区域主要在中部,与数值模拟结果一致。(2)基于薄壳理论对蛋形耐压壳进行仿生设计。首先,根据一般薄壳理论对蛋形壳体的强度与线弹性屈曲进行推导;接着,根据N-R方程对蛋形耐压壳的形状设计进行简单阐述;最后,在蛋形壳体强度与屈曲理论的基础上,并同时考虑塑性与脆性两种材料,分别对蛋形耐压壳采用等强度与等屈曲原则进行壁厚的等厚与变厚设计,得出蛋形耐压壳壁厚理论设计公式,为蛋形耐压壳在深海潜水器中的应用奠定理论基础。(3)通过数值法对蛋形耐压壳屈曲进行研究。首先,确定4km水深下的蛋形耐压壳等厚与变厚两种设计方案,并对其进行线弹性与弹塑性屈曲分析;接着,将蛋形耐压壳与等效球形耐压壳进行对比分析;最后,研究壁厚与形状对蛋形耐压壳的屈曲影响规律。结果表明蛋形耐压壳综合性能优于球形耐压壳,当蛋形耐压壳形状趋近于球形耐压壳时,其缺陷敏感度将增加,且同等壁厚下,蛋形耐压壳的缺陷敏感度低于球形耐压壳,更加适用于深海潜水器。(4)通过比例模型试验验证蛋形耐压壳屈曲机理。分别基于快速成型与冲压成型技术对蛋形耐压壳进行比例模型制造,并对树脂与金属蛋形耐压壳分别进行静水压力试验,对其失稳载荷与破坏形式进行研究。结果表明快速成型的树脂蛋形耐压壳比冲压成型的金属蛋形耐压壳更加接近于理想模型,且试验中的树脂蛋形耐压壳发生线弹性屈曲失稳,金属蛋形耐压壳则发生弹塑性屈曲失稳,结果与数值、理论分析一致。