對于復(fù)合原料壓力容器的框架探究

發(fā)布于：02-11

在結(jié)構(gòu)分析中，復(fù)合材料層視為橫觀各向同性彈性材料，采用復(fù)合材料殼體單元Shen9進行分析；鋁合金內(nèi)襯視為各向同性彈塑性材料，采用各向同性的實體單元Solid45進行模擬。復(fù)合材料層與內(nèi)襯層界面采用接觸分析以保證變形協(xié)調(diào)性及不可貫人性，用面一面接觸單元Contaot173模擬兩相材料界面，有限元網(wǎng)格劃分與實物對照。在結(jié)果分析過程中，軸向單元從1一250表示橫坐標位置，其中單元號10表示前封頭部分，單元號101503計算結(jié)果與分析所分析的壓力容器在一個充放氣過程中經(jīng)歷應(yīng)力一應(yīng)變的變化歷程，這個過程包括升壓一保壓一卸壓3個階段，其中保壓階段為工作壓力，壓力值為4.5MPa。在分析中，復(fù)合材料層采用應(yīng)變形式來考慮，以方便水壓試驗中應(yīng)變校核。內(nèi)襯層采用應(yīng)力考慮，以便于考察其塑性狀態(tài)。結(jié)構(gòu)分析中考慮了容器在工作壓力下的強度問題，為容器材料主方向的最大拉伸應(yīng)力值，其中橫坐標定義方式如所示。可以看出，封頭2個極孔附近應(yīng)力變化復(fù)雜，但應(yīng)力數(shù)值均沒有超過其強度數(shù)值，最大應(yīng)力數(shù)值為1.5GPa。

數(shù)據(jù)采集軟件，水壓泵，給出了測試示意圖。首先將復(fù)合材料壓力容器外表面貼應(yīng)變片，應(yīng)變方向為環(huán)向和縱向。然后，通過電阻測試檢驗應(yīng)變片的有效性。最后，開啟應(yīng)變測試軟件，在卸載過程中，復(fù)合材料層彈性恢復(fù)力使內(nèi)襯層處于壓應(yīng)力狀態(tài)。在此壓應(yīng)力狀態(tài)下，過薄的內(nèi)襯厚度很有可能發(fā)生屈曲，這也是這種特殊容器發(fā)生滲漏破壞的主要原因。容器內(nèi)襯屈曲因受到外壁復(fù)合材料層的限制，屬于限制性屈曲?？紤]到限制性屈曲模擬的復(fù)雜性，本文中采用簡化模型對容器的內(nèi)襯屈曲進行模擬，簡化模型中外層為復(fù)合材料，內(nèi)層為金屬
內(nèi)襯圓環(huán)結(jié)構(gòu)。



為了實現(xiàn)內(nèi)襯層屈曲變形模擬，需要在簡化模型內(nèi)襯部分施加幾何缺陷，使內(nèi)襯層產(chǎn)生面外應(yīng)力，最終使缺陷在面外壓應(yīng)力作用下演變?yōu)榫植壳冃?。?fù)合材料層與內(nèi)襯層仍然采用接觸分析進行，以保證無壓應(yīng)力作用下發(fā)生網(wǎng)格嵌人和變形協(xié)調(diào)。內(nèi)襯層局部屈曲變形產(chǎn)生依據(jù)最大變形點的荷載一位移曲線進行判斷，給出了內(nèi)襯最大變形點的荷載一位移曲線，荷載為容器內(nèi)壓數(shù)值，位移是指內(nèi)襯最大變形點徑向位移?？梢钥闯?，當容器結(jié)構(gòu)沒有缺陷時，最終結(jié)構(gòu)變形并未恢復(fù)至初始位置，可以看出，在此壓力下，內(nèi)襯缺陷處的變形最終形成屈曲變形，給出了壓力容器在此壓力循環(huán)下的內(nèi)襯屈曲照片，說明了本文中仿真模擬的可行性。本文中對超薄金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器進行了結(jié)構(gòu)分析。在分析過程中，幾何模型中的封頭段考慮了復(fù)合材料鋪放角度和厚度沿平行圓半徑的變化，材料模型中的復(fù)合材料層和內(nèi)襯層分別選用復(fù)合材料層合板理論和彈塑性理論進行分析，二者之間的界面位移協(xié)調(diào)性及不可貫人性引人接觸分析進行考慮。數(shù)值結(jié)果表明，加載過程中，容器復(fù)合材料層封頭曲率變化處環(huán)向存在壓應(yīng)變區(qū)域，縱向全部處于拉伸應(yīng)變區(qū)域。卸載后，容器的復(fù)合材料層并未恢復(fù)到原始狀態(tài)，仍然與加載過程相似，只是數(shù)值上減小。內(nèi)襯結(jié)構(gòu)在加載過程中，發(fā)生了塑性變形。因殘余塑性變形的原因，使其在卸載后仍然處于壓應(yīng)變狀態(tài)，實驗應(yīng)變測試結(jié)果驗證了容器計算模型的可靠性。 ??