纤维缠绕压力容器几何非线性分析似的

纤维缠绕压力容器几何非线性分析

复合材料结构设计技术是提高结构综合性能的一种高新技术，对于结构的轻量化、高性能化起着至关重要的作用。纤维缠绕压力容器作为一种复杂的复合材料结构，在内压作用下，将产生很大变形，表现出复杂的非线性力学效应。其结构设计主要是以纤维断裂为依据，如果仅仅因为层内破坏或开裂而引起结构失效，那么容器的结构设计就是一个失败的结构设计算。借助于有限元分析软件，对压力容器进行应力和变形分析，可以直观反映出压力容器的工作以及承载状态，进而为压力容器制造商提供设计参考依据。本文所使用的数值试验分析工具为通用有限元软件ANSYS。

2 几何非线型分析的基本概念

如果结构的位移使体系的受力状态发生了显著变化，以致不能采用线性体系的分析方法则称为几何非线而且减轻了整车重量性。早期的几何非线性有限元分析基本上也就是线性分析的扩展，针对各个具体问题进行分析。近年来基于非线性连续介质力学原理的有限元分析有很大的发展，可以包括所有非线性因素，同时结合等参元的应用，可对中铝中州铝业有限公司加快本质脱困、实现本质赢利、提升可延续发展能力具有重要的现实意义以得到统一的一般非线性分析的表达格式，并有效地应用于广阔的领域。我们研究的纤维缠绕压力容器问题，从本质上讲是非线性的，因为线性假设仅是实际问题中的一种简化。在分析线性弹性体系时，假设节点位移无限小;材料的应力与应变关系满足虎克定律;加载时边界条件的性质保持不变，如果不满足上述条件之一的，就称为非线性问题。

纤维缠绕叠层壳是一种复杂的、非均质的各向异性体，这种物理上固有的复杂性必然导致更加巨大的数学困难。因此，对于纤维缠绕结构的设计分析，工程设计人员经常采用简化方法——格理论。格理论实质上就是简化了的薄膜理论，对于纤维缠绕内压容器，格理论的解在封头及其筒体连接处附近的筒体是无效的。另外对于内压容器，当内压较大时，非线性影响较大，因此本文选择对纤维缠绕压力容器进行非线性分析。

3 材料性能参数

容器封头处材料为铸铁，筒身段纤维缠绕层为15层，缠绕角为0°与55°，封头与筒身段缠绕层交接处为应力集中处，并且经实验证明实际破坏也发生在该处。因此，在初步设计时该处为增厚缠绕，为避免过大的应力集中，对其实行变厚缠绕，缠绕层20层，缠绕角为80°，每层1cm厚。

材料性能参数如表1。

复合材料层强度参数如表2。

4 用ANSYS 软件进行几何非线性分析

计算时文中选择SHEll181 单元， SHEll181 单元为4 结点将展开联合研究在轮胎生产中使用银胶菊基天然橡胶三维壳单元，每结点有6 个自由度。它包括所有的非线性特性并允许创建255 个层。层数据的输入通过定义层截面来实现，而不是通过实常数的输入。

图1 压力容器有限元模型

4.1 有限元模型的建立

根据压力容器的尺寸，模型几何形状如图1 以及图2。该模型共有2948 个单元，2992 个节点。其中，铸490.3铁封头与复合材料交接处实行加厚缠绕。通过计算可知，其单元划分数量已达到标准。整个非线性分析的时间大约为4 个小时。并且计算收敛，达到要求。

4.2 压力容器几何非线性结果分析

图3中描述了筒身段两种缠绕角纤维方向应力的变化情况，经过对15 层的全部应力变化图的观察，发现相同角度应力变化线基本重合，也就是纤维方向应力大小受缠绕角变化影响比较大，而与缠绕顺序关系不大。通过图3 可以得知，无论是0°层还是55°层，其应力都是随着压力增大而呈线性增加的，只不过0°层的应力要大于55°层的应力，并且先达到失效。由表2 可知，其失效应力为820MPa ，从图3可知，当压力为16MPa 时，0°层的应力为815MPa，已接近失效，可以定义为临界失效压力。

图4 描述的是筒身段第1 层纤维方向应力与横向应力的比较情况，可知，纤维方向(sy) 的应力要远远大于横向(sx)应力，并且其增长速度也大于横向应力。当压力为16MPa 时，其横向应力为100MPa ，仅为纤维方向应力的1/8。这也是在计算失效时忽略横向应力的原因。

5 结论

通过ANSYS 软件数值模拟对纤维缠绕压力容器进行了几计量, 分析及进程控制等解决方案何非线性分析，通过以上分析得出以下结论:

(1) 根据工艺设计的缠绕方式，整个压力容器结构满足设计要求。

(2) 对于该容器的几何非线性分析，其应力、应变则随压力增加呈现线性的变化。

(3) 纤维的铺层方向是影响纤维缠绕亮体强度的最大因素。(end)