压力容器几何非线性分析

2013-06-16 by:广州有限元分析、培训中心-1CAE.COM 来源:仿真在线

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——网格理论。网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,网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。

压力容器几何非线性分析ansys仿真分析图片1

复合材料层强度参数如表2。

压力容器几何非线性分析ansys仿真分析图片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。

压力容器几何非线性分析ansys仿真分析图片3

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。

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