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1、第26卷第3期计算力学学报Vol.26,No.32009年6月ChineseJournalofComputationalMechanicsJune2009文章编号:1007-4708(2009)03-0446-07纤维缠绕复合材料压力容器渐进损伤分析*王晓宏,张博明,刘长喜,杜善义(哈尔滨工业大学复合材料与结构研究所,哈尔滨150001)摘要:利用大型有限元软件ANSYS的参数化设计语言(APDL)建立了纤维缠绕复合材料压力容器的有限元模型,该模型真实地反应了复合材料压力容器封头处纤维缠绕层的厚度以及纤维缠绕角度沿子午线不断变化的情况,即充分体现该压力容器结构的真实性。针对建立的有限元模
2、型,对复合材料压力容器在一定内压下的应变进行了分析,将分析的结果与试验结果比较,验证该模型的准确性。在此基础上进行了复合材料压力容器的渐进损伤分析,获得了复合材料压力容器在外载荷逐渐增加的情况下,复合材料缠绕层逐层失效破坏的详细信息,为复合材料压力容器的设计提供一定的依据。关键词:复合材料压力容器;有限元建模;参数化设计语言APDL;渐进损伤中图分类号:TB33文献标识码:A[1]A0由下式决定:1引言A0=arcsin(d0/D0)(1)纤维缠绕复合材料压力容器具有重量轻、压力式中d0为内衬极孔直径,D0为圆柱直径,经计算大等优点,是充分发挥纤维强度的最优结构,因此得到A0=13b,圆
3、柱段上环向缠绕角为90b。螺旋缠广泛应用于航空、航天等领域。但是复合材料压力绕为测地线轨迹,缠绕角A从极孔处的90b连续减容器封头处纤维缠绕的角度与厚度是连续变化的,[1]小到圆柱段的A0,具体关系式为决定了该结构的复杂性,仅靠网格理论对其进行静A=arcsin(d0/D)(2)力学设计和分析不能满足空间系统对压力容器的式中D为封头缠绕点的曲面回转直径。高可靠、高性能要求,而有限元分析方法能进行非[1]封头上螺旋缠绕的复合层厚度方程hf为常准确和详细的分析。本文利用ANSYS的参数2222hf=hfA0[(D0-d0)/(D-d0)](3)化设计语言(APDL)建立了能真实反应压力容器式
4、中hfA为柱段上螺旋缠绕的复合层厚度。0结构的有限元模型,进行了静力学和渐进损伤分212建立有限元模型析,为压力容器的设计提供充分的分析数据,使设建立与考察对象的力学特性尽可能一致的有计达到最佳程度。限元模型是应用有限元法解决工程问题的关键,有2建模限元模型的准确性决定了分析计算结果的正确与否。纤维缠绕复合材料压力容器是纤维在金属内衬211纤维缠绕复合材料压力容器结构简介上以特定的缠绕工艺缠绕而形成的由金属与复合复合材料压力容器是由纤维缠绕复合层与金层共同构成的结构,其纤维缠绕方式既有螺旋缠绕属内衬组成。内衬由圆柱段、等张力封头组成。纤维又有环向缠绕,封头上复合材料层的厚度和纤维的缠绕复
5、合层采用的线型为螺旋线缠绕与环向缠绕缠绕角度沿子午线不断变化,压力容器的这种结构相结合,其中封头部分全部为螺旋缠绕,圆柱段为决定了有限元建模的复杂性。螺旋缠绕与环向缠绕的组合。圆柱段的螺旋缠绕角21211选择单元类型收稿日期:2008-08-08;修改稿收到日期:2008-10-231选择合适的单元类型是建立正确的有限元模作者简介:王晓宏*(1978-),女,博士研究生(E-mail:wangxiaohong422@126.com).型最基本的前提。根据所要分析的碳纤维缠绕复合第3期王晓宏,等:纤维缠绕复合材料压力容器渐进损伤分析447材料压力容器的结构特点以及Ansys程序的特点,经过
6、对比研究,选用shell91单元建立压力容器的有限元模型。2.2.2建立模型压力容器的结构由五部分组成:左封头,左封头过渡段和桶身段,右封头过渡段,右封头。在实体模型的基础上,用shell91单元划分网格,金属内衬作为整个层单元中的一层,层单元的节点位于金属层顶面和所有复合层底面,假设复合层与内衬粘结牢固,层间不产生滑移。封头部分:式(2)和式(3)表明纤维缠绕层的缠绕角(材料主方向角)与复合层的厚度沿子午线方向不断变化,也就是说,封头上每一点的缠绕角和复合层厚度是该点几何位置的函数。用有限元网格离散化之后,如何保证单元内部与单元之间的厚度能够光滑过渡,并且尽可能准确地反映实际结构的厚度
7、,这就为单元划分提出了一个挑战。shell91单元能够对复杂的厚度分布进行造型,允许在它的图2有限元模型四个角节点上分配不同的厚度,而假定单元内部厚Fig.2Finiteelementmodel度变化是光滑的。柱段部分:由于每一单层的厚度和纤维缠绕角纤维缠绕角的连续变化无法通过定义单元属在整个柱段上是常数,这部分的建模相对比较简单。性来保证。假定同一个单元内部材料方向角是相同为了保证单元形状的规则,不使局部区域出现的,这样它的材料方
