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作者及机构
本研究由Fatma Merve Aydın Korucuk、Mahyar Maali、Mahmut Kılıç和Abdulkadir Cüneyt Aydın*（通讯作者）合作完成，团队成员均来自土耳其阿塔图尔克大学（Ataturk University）土木工程学院。研究成果发表于期刊Thin-Walled Structures（2019年，第143卷，文章编号106259）。

学术背景

研究领域与动机
薄壁圆柱壳（thin-walled cylindrical shells）是储罐、筒仓和海洋结构等工程设施的核心组件，但其制造和服役过程中易因焊接、外力冲击等产生几何缺陷（如凹陷/dent），导致屈曲（buckling）失效风险显著增加。尽管碳纤维增强聚合物（CFRP, carbon-fibre-reinforced polymer）已广泛用于结构加固，但关于CFRP修复凹陷圆柱壳的屈曲性能恢复效果缺乏系统性实验验证。

研究目标
1. 量化不同凹陷参数（深度、宽度、纵向数量）对圆柱壳屈曲承载力的影响；
2. 评估CFRP修复后的屈曲性能恢复效果；
3. 提出适用于非理想模型的屈曲载荷预测系数，弥补现有理论公式的局限性。

研究流程与方法

1. 实验设计与样本制备

• 样本分组：共14个薄壁圆柱壳模型，分为两组：
  
  • 无CFRP组（7个）：包括1个完美模型（M7）和6个含不同凹陷参数的模型（M1-M6）；
    
  • CFRP修复组（7个）：对应无CFRP组的凹陷模型（M8-M13）和1个全表面CFRP覆盖的完美模型（M14）。
    
• 凹陷参数：
  
  • 深度（hd）：1t（t=1 mm）和2t；
    
  • 宽度（bd）：2t和4t；
    
  • 纵向数量（di）：2、4、6个（D2/D4/D6）。
    
• CFRP修复方案：根据凹陷几何尺寸设计CFRP条带，尺寸公式为3bd × (ld + 2bd)，覆盖凹陷区域。
  

2. 实验系统与测试方法

• 加载系统：采用液压真空泵施加均匀静水压力（hydrostatic pressure），最大压力600 kPa。
  
• 数据采集：
  
  • 位移传感器（LVDT）：4个线性位移传感器（精度0.001 mm）记录壳体变形；
    
  • 应变片（Strain Gauges）：垂直（S1）和水平（S2）方向测量应变；
    
  • 高速摄像：捕捉屈曲波形成过程，确定初始屈曲（initial buckling）、整体屈曲（overall buckling）和坍塌（collapse）载荷。
    
• 创新设备：自主开发自动真空系统，支持大尺寸（高度1250 mm、厚度1 mm）薄壁壳体测试。
  

3. 理论对比分析

将实验结果与以下理论公式对比：
1. Jawad理论（式1）：适用于简单支撑圆柱壳的弹性屈曲压力预测；
2. Ross理论（式2）：考虑轴向约束的修正公式；
3. 英国标准BSI（式3）和欧洲规范ECCS（式4）：基于几何参数的经验公式。

主要结果

1. 凹陷参数的影响

• 初始屈曲载荷：随凹陷数量（D2→D6）增加显著降低。例如，D6模型（M5/M6）的初始屈曲载荷仅为完美模型（M7）的50%。
  
• 凹陷深度与宽度：深度从1t增至2t时，初始屈曲载荷降低10-14%（如M1→M2）；宽度从2t增至4t时，降低幅度达17-26%。
  
• 屈曲波形态：所有无CFRP模型的屈曲波数量为6，且首个屈曲波均起源于凹陷位置。
  

2. CFRP修复效果

• 完美模型：全表面CFRP覆盖（M14）使初始屈曲载荷提升55.6%，整体屈曲载荷提升24.3%。
  
• 凹陷模型：CFRP修复后，初始屈曲载荷恢复4.5-35.7%（如M8较M1提升4.45%）。D6模型（M13）的恢复效果最显著（22.7%）。
  
• 屈曲波减少：CFRP组屈曲波数量降至5，表明CFRP抑制了局部塑性变形。
  

3. 理论与实验对比

• 理论局限性：现有公式（如Jawad理论）对hc/r=2.5和t/r=0.002的模型预测偏低（误差29-34%）。
  
• 修正系数：提出实验系数（表7），例如M14的初始屈曲载荷为理论值的2.08倍（Jawad理论），需通过系数校正非理想模型的预测值。
  

结论与价值

1. 科学价值：
   
   • 揭示了凹陷几何参数与屈曲承载力的定量关系，填补了多凹陷薄壁壳体屈曲行为的研究空白；
     
   • 验证了CFRP修复对屈曲性能的恢复效果，为工程加固提供数据支持。
     
2. 应用价值：
   
   • 提出的修正系数可直接用于工业设计中非理想圆柱壳的屈曲载荷预测；
     
   • 优化了CFRP修复方案的设计准则（如覆盖面积与凹陷几何的匹配关系）。
     

研究亮点

1. 创新实验设计：首次系统研究纵向多凹陷与CFRP修复的耦合效应，样本参数覆盖工程常见缺陷类型；
   
2. 自主设备开发：高精度自动真空系统突破传统手动设备的尺寸限制；
   
3. 理论扩展：通过实验系数弥补经典理论对非理想模型的预测不足。
   

其他发现

• 屈曲后行为：所有模型在初始屈曲后均表现出承载力提升（20-60%），表明凹陷可能局部强化壳体；
  
• 失效模式：无CFRP组为V形坍塌，而CFRP组因弹性约束呈现弹性-塑性混合失效。
  

（全文约2000字）