壓力容器幾何非線性分析

2013-06-16 by:廣州有限元分析、培訓中心-1CAE.COM 來源:仿真在線

復合材料結構設計技術是提高結構綜合性能的一種高新技術,對于結構的輕量化、高性能化起著至關重要的作用。纖維纏繞壓力容器作為一種復雜的復合材料結構,在內壓作用下,將產生很大變形,表現出復雜的非線性力學效應。其結構設計主要是以纖維斷裂為依據,如果僅僅因為層內破壞或開裂而引起結構失效,那么容器的結構設計就是一個失敗的結構設計算。借助于有限元分析軟件,對壓力容器進行應力和變形分析,可以直觀反映出壓力容器的工作以及承載狀態,進而為壓力容器制造商提供設計參考依據。本文所使用的數值試驗分析工具為通用有限元軟件ANSYS。

2 幾何非線型分析的基本概念

如果結構的位移使體系的受力狀態發生了顯著變化,以致不能采用線性體系的分析方法則稱為幾何非線性。早期的幾何非線性有限元分析基本上也就是線性分析的擴展,針對各個具體問題進行分析。近年來基于非線性連續介質力學原理的有限元分析有很大的發展,可以包括所有非線性因素,同時結合等參元的應用,可以得到統一的一般非線性分析的表達格式,并有效地應用于廣闊的領域。我們研究的纖維纏繞壓力容器問題,從本質上講是非線性的,因為線性假設僅是實際問題中的一種簡化。在分析線性彈性體系時,假設節點位移無限小;材料的應力與應變關系滿足虎克定律;加載時邊界條件的性質保持不變,如果不滿足上述條件之一的,就稱為非線性問題。

纖維纏繞疊層殼是一種復雜的、非均質的各向異性體,這種物理上固有的復雜性必然導致更加巨大的數學困難。因此,對于纖維纏繞結構的設計分析,工程設計人員經常采用簡化方法——網格理論。網格理論實質上就是簡化了的薄膜理論,對于纖維纏繞內壓容器,網格理論的解在封頭及其筒體連接處附近的筒體是無效的。另外對于內壓容器,當內壓較大時,非線性影響較大,因此本文選擇對纖維纏繞壓力容器進行非線性分析。

3 材料性能參數

容器封頭處材料為鑄鐵,筒身段纖維纏繞層為15層,纏繞角為0°與55°,封頭與筒身段纏繞層交接處為應力集中處,并且經實驗證明實際破壞也發生在該處。因此,在初步設計時該處為增厚纏繞,為避免過大的應力集中,對其實行變厚纏繞,纏繞層20層,纏繞角為80°,每層1cm厚。

材料性能參數如表1。

壓力容器幾何非線性分析ansys仿真分析圖片1

復合材料層強度參數如表2。

壓力容器幾何非線性分析ansys仿真分析圖片2

4 用ANSYS 軟件進行幾何非線性分析

計算時文中選擇SHEll181 單元, SHEll181 單元為4 結點三維殼單元,每結點有6 個自由度。它包括所有的非線性特性并允許創建255 個層。層數據的輸入通過定義層截面來實現,而不是通過實常數的輸入。

壓力容器幾何非線性分析ansys仿真分析圖片3

4.1 有限元模型的建立

根據壓力容器的尺寸,模型幾何形狀如圖1 以及圖2。該模型共有2948 個單元,2992 個節點。其中,鑄鐵封頭與復合材料交接處實行加厚纏繞。通過計算可知,其單元劃分數量已達到標準。整個非線性分析的時間大約為4 個小時。并且計算收斂,達到要求。

4.2 壓力容器幾何非線性結果分析

圖3中描述了筒身段兩種纏繞角纖維方向應力的變化情況,經過對15 層的全部應力變化圖的觀察,發現相同角度應力變化線基本重合,也就是纖維方向應力大小受纏繞角變化影響比較大,而與纏繞順序關系不大。通過圖3 可以得知,無論是0°層還是55°層,其應力都是隨著壓力增大而呈線性增加的,只不過0°層的應力要大于55°層的應力,并且先達到失效。由表2 可知,其失效應力為820MPa ,從圖3可知,當壓力為16MPa 時,0°層的應力為815MPa,已接近失效,可以定義為臨界失效壓力。

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