具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器在冲击荷载下的应力分析

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1、220毗科学发展观促进科技创新(中)参考文献1山崎动，田中雅章，江草弘RH【．挡}于西钢中[N]]y卜口一儿一技术。确立．铁匕钢，72(1986)，254～2542奥特斯F．钢冶金学、倪瑞明，张圣弼，项长祥译．北京：冶金I业出版社3傅献彩．沈文霞，姚天杨．物理化学第四版，北京：高等教育出版社，19904区铁．钢水真空环流与二次精炼反应的研究北京：北京科技大学，2000作者简介区铁，北京科技大学冶金物理化学专业毕业，工学博士，教授级高工，中国金属学会个人会员程记号001(366。联系方式：430080，湖北省武汉市

2、青山区冶金大道28号，武钢(集团)公司技术中心工艺所；电话：027—86487668；传真：027—86487660；E—mail：outie@yahoocoIllcn。具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器在冲击荷载下的应力分析①任明法陈浩然大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，大连，116023摘要本文基于低速冲击动力学理论和复合材料层合结构损伤破坏准则，采用以不协调模式的八节点块三雏有限单元法，研究了在空栽和满载下具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器的冲击下的力学行为．井预测了其冲击损伤分布。在分析中应用修正的

3、Hertzian接触法则来计算在冲击载荷下冲击体和复合材料缠绕结构之间的接触力；在时域中采用Newmark方法求解。通过典型数例研究结果表明，在相同能量的冲击载荷作用下，具有满载(内压)下的复合材料纤维缠绕容器比空载容器更易发生基体开裂和分层破坏。关键词低速冲击损伤特征具有金属内衬复合材料纤维缠绕容器有限元月U置具有金属内衬的复合材料纤维缠绕耐压容器具有密封性好、比强度高和工艺成型方便等优点，故已广泛使用在航空、航天和化工工业领域中。但在制造和使用中该容器都不可避免地受到外来物的冲击，由试验结果可知，在低速冲击下

4、，在容器内部将出现目视不可测损伤(树脂开裂和分层破坏等)，从而导致其承载能力的显著降低，为此在低速冲击过程中复合材料纤维缠绕耐压容器的损伤萌生和演化以及冲击后含损伤容器的剩余承载能力研究是力学和工程界十分关注的研究课题，并已取得了许多有价值的研究成果。但是，从目前作者所检索到的公开发表的文献可知，绝大部分工作是研究在冲击荷载下，空载的无金属内衬复合材料纤维缠绕的耐压容器的损伤行为，而对工程中经常使用的满载(即具有工作内压)工况下具有金属内衬的复合材料纤维缠绕耐压容器的冲击损伤行为的研究还鲜见报道。本文基于低速冲击

5、动力学理论的有限元分析方法对具有金属内衬的复合材料纤维缠绕结构在空载①国家863项目“复台材料纤维缠绕容嚣”资助。第23分会场复台材料工业应用与发展趋势221和满载下的损伤行为进行研究，并采用文献[6]提出的复合材料层合结构损伤准则进行损伤预测。在分析过程中，考虑了儿何和材料非线性、摩撩和等接触效应。文中还以一典型容器为例，讨论了在相同质量而不同冲击速度的冲击块作用下，空载和满载具有金属内村的复合材料纤维缠绕耐压容器损伤特征的差别，得到具有工程价值的结论。一、复合材料结构动力学的控制方程假设容器复合材料缠绕层单层

6、材料是横观各向同性材料，在其材料主方向系统内的本构方程为口，．=QⅢe“(i，，，^，Z=1，2，3)(1)式中，百。是横观各向同性材料的弹性矩阵。为了推导空间壳体单元，则必须将定义在材料主方向系统内的本构关系式(2)通过欧拉坐标转换技术转换到总体坐标系中去(如图1所示)，设总体坐标系中单层材料的本构关系为％=DⅢe^f(i，J，k，Z=I，2，3)(2)图1圆柱壳的通用坐标系则总体坐标系中单层材料刚度矩阵可表示为DⅢf=S。T。Q州TS上式中s，T分别为欧拉坐标系转换方向阵。由哈密顿原理可知：II(8T—du+

7、8w。)df=0式中，d丁，dU，8H?分别代表单元的动能、应变能和外力功。经简单推演，(3)式还可表示为1(睫jD州￡”+乩，“¨l+乩，p“。1)dy一}占M．工dV—l乩，亍，ds=0JVJVJHt为了提高分析精度，采用八节点块单元非协调位移模式：“=∑皿㈨+3∑s．n式中“表示静态凝聚的内位移，形函数为：1t(#，_，f)2亩(1+}。})(1+彻)(1+基f)i2l，⋯，8而s．=1一}2，S：=1一口2，S，=1一f2，}，7，#为单元的自然坐标。将(5)式代入(4)式影响，通过推演，可得到八节点复合

8、材料块单元的非协讽的魂力学的控制方程：[MfⅢ雀K,L驯州刊其中K幺=』，B：D马dV，DL。=f，BTDGav，(3)(4)(5)并忽略阻尼的(6)222以科学发展观促进科技创新(中)上式中Q足面载荷，且聪。=』，GTDB，dv，聪。=』，GTTG，dy峨2j，pH'yHJdV，r2j。，H’QdSH=睡0皿10口口800]l0妒8010口8J二、冲击过程和预测冲击损伤