本文档属于类型a，即单篇原创研究的学术报告。以下是对该研究的详细介绍：
一、研究作者及发表信息
本研究的作者包括Xiaoyong Wang、Wenxian Tang、Hong Zhuang、Weixuan Xue、Jian Zhang和Ming Zhan，均来自江苏科技大学机械工程学院。该研究于2025年发表在期刊《Ships and Offshore Structures》上，文章标题为《Collapse of Helical Cylindrical Shells Subjected to External Hydrostatic Pressure》，DOI为10.1080⁄17445302.2024.2331323。
二、学术背景
在海洋工程中，圆柱形结构（如潜艇压力壳、压力容器和压力传输管道）因其优异的空间利用率、承载能力和成熟的加工技术而被广泛应用。然而，圆柱形结构在外部压力下容易发生失稳或坍塌。为了提高圆柱形结构的外部承载能力，学者们提出了多种增强方法，例如增加圆柱壳的经向曲率、使用环向或纵向加强筋、在圆柱壳表面设置波纹等。然而，这些研究大多集中于单一增强方法的效果，较少探讨多种增强方法的组合应用。此外，现有的非线性坍塌计算方法主要针对连续、轴对称的正高斯曲率旋转壳，而对多曲率、非轴对称圆柱壳在均匀外部压力下的坍塌行为研究较少。
本研究旨在设计一种螺旋圆柱壳（Helical Cylindrical Shell），并研究其在外部静水压力下的坍塌性能。该螺旋圆柱壳的设计灵感来源于蜗牛壳（Clausiliidae Shell）的几何结构，结合了螺旋曲面和螺旋加强筋的特性。研究目标是通过实验和数值分析，评估螺旋圆柱壳的坍塌性能，并探讨螺旋加强筋和壁厚对其坍塌行为的影响。
三、研究流程
1. 设计与制备
研究设计了三类圆柱壳：螺旋圆柱壳（Helical Cylindrical Shell）、普通圆柱壳（Cylindrical Shell）和螺旋加强圆柱壳（Helically Stiffened Cylindrical Shell）。螺旋圆柱壳的设计基于蜗牛壳的几何特征，包括螺旋曲面和螺旋加强筋。为了便于比较，普通圆柱壳和螺旋加强圆柱壳的体积与螺旋圆柱壳的内部空腔体积保持一致。所有样本均通过立体光刻打印技术（Stereolithographic Printing）制备，每种类型制备两个样本以确保实验的可重复性。样本材料为光敏树脂（R4600），两端用不锈钢板密封。
几何测量与静水测试
为了评估制备样本的几何精度，研究使用双蓝光手持三维光学扫描仪（Einscan HX）测量了样本的外表面，并使用超声波测厚仪（Dakota/PX-7）测量了壁厚。测量结果显示，样本的壁厚和形状具有良好的重复性和制备精度。
静水测试在江苏科技大学的压力容器中进行，样本被缓慢加压直至坍塌。测试过程中，压力传感器实时记录压力变化，最大压力值即为样本的坍塌载荷。测试结果显示，螺旋圆柱壳的坍塌载荷显著高于普通圆柱壳和螺旋加强圆柱壳。
单轴拉伸测试
为了获取光敏树脂的力学性能，研究对三个拉伸试件进行了单轴拉伸测试，测试方法符合ASTM D638标准。测试结果包括杨氏模量、泊松比、屈服强度和断裂应变等。
数值分析
研究使用Abaqus/Standard软件对制备样本进行了线性特征值分析和非线性Riks分析，以评估其坍塌性能。有限元模型基于扫描数据建立，考虑了样本的几何缺陷和材料特性。数值分析结果与实验结果一致，验证了有限元建模方法的有效性。
四、主要结果
1. 实验分析
静水测试结果显示，螺旋圆柱壳的平均坍塌载荷为3.503 MPa，分别是普通圆柱壳和螺旋加强圆柱壳的17.515倍和3.553倍。这表明螺旋曲面和螺旋加强筋的组合显著提高了圆柱壳的承载能力。
坍塌模式分析显示，所有样本在外部压力下均发生局部凹陷并碎裂。螺旋圆柱壳的坍塌发生在螺旋曲面的末端，而普通圆柱壳和螺旋加强圆柱壳的坍塌分别发生在壳体的中部和加强筋之间。
数值分析
线性特征值分析结果显示，螺旋圆柱壳的线性坍塌载荷为3.611 MPa，分别是普通圆柱壳和螺旋加强圆柱壳的15.769倍和3.116倍。非线性分析结果与实验结果高度一致，验证了有限元模型的准确性。
研究还比较了螺旋圆柱壳与其他现有形状（如桶形壳、环加强圆柱壳、螺旋加强圆柱壳和环向波纹圆柱壳）的坍塌性能。结果显示，螺旋圆柱壳的坍塌载荷显著高于其他形状，表明其具有优异的外部压力稳定性。
螺旋加强筋和壁厚的影响
通过数值分析，研究探讨了螺旋加强筋参数和壁厚对螺旋圆柱壳坍塌载荷的影响。结果显示，螺旋加强筋参数和壁厚的增加均能提高螺旋圆柱壳的承载能力。然而，当螺旋加强筋参数超过2.0时，螺旋圆柱壳的失稳模式从整体坍塌转变为局部坍塌。
五、结论
本研究通过实验和数值分析，系统地研究了螺旋圆柱壳在外部静水压力下的坍塌性能。研究结果表明，螺旋圆柱壳具有显著高于普通圆柱壳和螺旋加强圆柱壳的承载能力，其坍塌模式受螺旋加强筋和壁厚的显著影响。螺旋加强筋和螺旋曲面的组合为圆柱壳的设计提供了新的思路，具有重要的科学价值和工程应用前景。
六、研究亮点
1. 首次将蜗牛壳的几何结构应用于螺旋圆柱壳的设计，结合了螺旋曲面和螺旋加强筋的特性。
2. 通过实验和数值分析，验证了螺旋圆柱壳在外部压力下的优异性能。
3. 探讨了螺旋加强筋参数和壁厚对螺旋圆柱壳坍塌行为的影响，为圆柱壳的优化设计提供了理论依据。
七、其他有价值内容
研究还提出了未来研究方向，包括进一步探讨螺旋曲面和初始几何缺陷对螺旋圆柱壳坍塌性能的影响，以及开发考虑螺旋圆柱结构的可靠分析模型。