这是一篇发表于 Journal of Constructional Steel Research（卷228，文章编号109439，2025年2月26日在线发表）的综述论文，题为“圆形圆柱壳在外压下的屈曲——批判性综述”（Buckling of circular cylindrical shells under external pressures - a critical review）。论文的第一作者和通讯作者为 Abubakr E.S. Musa，来自沙特阿拉伯法赫德国王石油矿产大学（King Fahd University of Petroleum & Minerals）的跨学科建筑与建筑材料研究中心及土木与环境工程系。
本文属于类型b，即一篇综述性学术论文。下文将对该论文的主要内容进行详细的介绍。
本文对圆形圆柱壳在不同类型外压作用下的屈曲行为进行了系统性的回顾和批判性评估。研究聚焦于三种主要的外压荷载：均匀侧向压力（uniform lateral pressure）、静水压力（hydrostatic pressure，即均匀侧向压力加上端部压力）以及非均匀风压（non-uniform wind pressure）。由于圆柱壳的薄壁特性，其在这些荷载下极易发生屈曲失稳。作者指出，尽管理论和实验研究表明静水压力下的临界屈曲压力始终低于侧向压力，但在工程实践和文献中，两者的差异常被忽略。本文的一个核心目的便是严格区分这两种荷载工况，并精确界定两者差异可被忽略的具体几何条件。此外，针对风压下圆柱壳的研究相对较少，且其屈曲行为常与均匀压力工况相关联，因此本文也将风压屈曲作为重点回顾内容。
文章首先深入探讨了侧向压力和静水压力下的弹性屈曲理论。作者从描述圆柱壳在均匀侧向压力下力学行为的一组耦合偏微分方程出发，阐释了求解屈曲压力的特征值问题，并利用 Mathematica 软件得到了该问题的“精确解”（exact solution），作为后续比较的基准。随后，文章回顾了该领域的早期经典解，重点讨论了 von Mises 在1914年和1929年分别提出的侧向压力和静水压力屈曲公式（即公式8和公式9）。通过详尽的参数化数值算例，作者证实了静水压力屈曲临界值始终低于侧向压力的结论，并修正了一个重要的认知：先前文献（如 Yamaki）提出的两者差异可忽略的条件不够精确。本研究发现，当长度与半径之比（L/R）大于1.0时，两种压力导致的屈曲压力差异才小于5%，可视为不显著；对于L/R小于1.0的短壳，差异会急剧增大，非常显著。
该综述的核心贡献之一是对从文献中收集的十二种简化设计公式（SF1至SF12）进行的系统批判与评估。这些公式来源广泛，包括 Bryan、Southwell、Wang 和 Wang、Yamaki、Windenburg 和 Trilling、中国船级社、Greiner 以及 Batdorf 等人的经典著作和规范。作者详细讨论了这些公式的推导过程及其宣称的适用范围，并通过覆盖广泛几何参数的数值算例，将它们与精确解进行了全面对比，以揭示其局限性和准确性。评估揭示了几个关键发现： 1. 公式勘误与统一性：作者发现 Wang 和 Wang 提出的公式（SF3）存在印刷错误，其正确形式应等同于 Southwell 的公式（SF2）。该研究还将多个公式进行形式上的统一，证明它们在本质上是同源的。例如，修正后的SF2、SF3与SF4、SF10、SF12等公式均可化为统一形式，仅在系数上有所差异，SF10与SF12几乎一致。 2. 适用范围与精度：没有任何一个简化公式可以适用于所有范围的壳体。例如，Bryan 的公式（SF1）仅适用于极长壳；Windenburg 和 Trilling 的系列公式（SF5-SF7）在L/R增大时会错误地趋近于零，因此只适用于短壳。通过设定-15%至+5%的可接受误差范围，研究发现 Greiner 提出的 SF9 和 SF11 公式组合是最为可靠和准确的，能够覆盖广泛的壳体几何参数。其中，SF9适用于L/R小于25的短至中长壳，SF11适用于L/R更大的长壳。
文章不仅停留在弹性理论分析，还深入对比了理论与实验结果的差异。通过收集 Windenburg 和 Trilling 等人文献中的46个实验数据点，作者发现了一个明确趋势：随着L/R值的减小，理论与实验屈曲应力的差异显著增加，这种缺陷敏感性在L/R < 1.0的短壳中尤为突出。然而，对于L/R > 1.5的长壳，实验结果与理论值吻合良好，比值接近甚至超过1.0，验证了长壳对缺陷不敏感的结论。这与 NASA SP-8007 的建议一致，即短壳的屈曲折减因子（KDF）为0.75，而长壳为0.90。与此不同，欧洲钢结构规范（ECCS）推荐的折减因子（0.5-0.75）并未考虑L/R的依赖性，因此对长壳的设计可能过于保守。
文章还综述了各种类型的缺陷、几何非线性（GNA, GNA）和材料非线性（GMNA, GMNIA）对屈曲行为影响的研究。涉及的缺陷类型包括特征模态缺陷、凹痕、焊接凹陷、椭圆度及其组合。多项研究表明，多种缺陷的组合比单一缺陷更为不利，例如 Greiner 和 Derler 发现，全局椭圆度和局部形状缺陷的组合是控制屈曲强度的关键工况。此外，文章特别介绍了一种有效的设计方法——“折减刚度法”，该方法通过消去壳体的薄膜应变能来计算屈曲应力的下限值，为工程设计提供了一种无需详细模拟复杂缺陷和非线性行为的保守而高效的途径。
最后，文章详细讨论了非均匀风压下的圆柱壳屈曲问题。文章首先介绍了描述风压沿圆周分布的风压系数（Cp）的傅里叶级数表达式，并比较了不同研究者和规范给出的系数。风压下的屈曲模态高度依赖于L/R和R/T参数，其特征是迎风面驻点区出现屈曲波纹，且顶部有无加劲环或顶盖对屈曲形态和承载力有决定性影响，加劲环的存在可使临界压力提高近一倍。文章回顾了将非均匀风压屈曲与均匀压力屈曲相关联的研究，如 ECCS 建议的等效压力方法。研究普遍表明，由于风压仅在迎风面局部区域显著，其屈曲承载力远高于均匀外压。文章最后综述了风压下缺陷影响的研究，指出特征模态缺陷对短壳影响显著，而对长壳影响甚微，并介绍了针对风压工况下中间抗风圈（wind girder）刚度需求的最新研究成果。
这篇综述系统地梳理、对比并批判性地评估了圆柱壳在外压作用下屈曲的理论解、简化公式、实验数据和数值分析方法，为工程师和研究人员提供了清晰的应用指南和关键的认知修正，特别是在公式选择、荷载工况差异判别以及缺陷敏感性理解方面具有重要的参考价值。