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復合材料高壓氣瓶穩定性有限元分析

發表時間:2022-04-05 22:08 閱讀:
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      以碳纖維環氧為代表的先進復合材料,具有比強度高、比剛度大和可以人為設計材料性能等一系列優點,常常做成薄壁輕型結構形式,如多層、夾層和加筋結構的梁、板和殼,特別是加筋板殼以少量筋條材料為代價,能大幅度提高其彎曲剛度,設計安排靈活,適應性強,制造工藝簡單,造價低,充分發揮了材料和結構性能兩方面的優越性,已廣泛應用于航空、航天、核工業、機械等重要工業部門。然而復合材料具有各向異性、不均勻性的特點,對其力學性能的研究將涉及到大量復雜的力學、數學問題伙結構穩定性的求解十分復雜和困難。
      本文利用有限元分析軟件Marc,對復合材料高壓氣瓶的穩定性進行了分析。得出氣瓶滿足穩定性要求時應具備的條件,為結構設計提供了可供借鑒的理論基礎和計算方法,對工程實際具有指導作用。
      有限元法是一種可以獲得許多工程問題近似解的數值計算方法。應用有限元法求解彈塑性問題的分析過程,概括起來可以分為以下幾步:
      (1)結構離散化;(2)選擇位移函數;(3)單元力學特征;(4)計算等效節點載荷;(5)整體分析;(6)應用位移邊界條件;(7)求解結構平衡方程;(8)計算單元應力。
      復合層是承受復合材料高壓氣瓶內壓載荷的主體,復合層的強度和穩定特性完全決定了氣瓶的主要力學性能,所以復合層設計對確保產品性能的滿足非常關鍵。東方紅四號衛星的復合材料高壓氣瓶的復合材料為碳纖維環氧樹脂,采用強度性能最好的碳纖維1T000是減輕重量的需求,而環氧樹脂的應用是基于工藝成熟性和性能能夠滿足要求。氣瓶內襯是由欽材料制造的薄壁殼體,功能是密封工作介質并作為纏繞芯模。
      兩個曲面所限定的物體,若曲面間距離比物體的其他尺寸小,則稱為殼體。若殼體的厚度u遠小于殼體中面的最小曲率半徑r,即u/r是很小的數值,則殼體就稱為薄殼。根據高壓氣瓶的圖紙描述,柱段半徑為r=172mm,厚度為u=7mm,其中欽合金厚0.5mm,復合材料厚62mm。因為u/r=7/172<1/20,所以該高壓氣瓶為薄殼結構。
      在結構的屈曲分析中,常用分又來描述。分又點代表結構兩個平衡路徑的交點,表征屈曲失穩的萌生位置,實際結構的另一種失穩形式表現為從一個平衡位置快速通過,跳躍到另一平衡位置,也稱后屈曲,除此以外,結構在局部高壓應力作用下的起皺和表面重疊也是一種局部失穩形式。
&nbsp;     在有限元軟件Marc中,屈曲和穩定性分析考察結構的極限承載能力,研究結構總體或局部的穩定性,求解結構失穩形態和失穩路徑。按特征值分析屈曲失穩臨界載荷是一種簡便的穩定性分析方法,可以獲得平衡路徑的分又點。但實際上,屈曲失穩還受到幾何非線性、材料非線性、邊界條件非線性以及初始結構不完整性的影響。分析時,按照是否考慮該類影響,這類方法又細分成線性屈曲分析和非線性屈曲分析。


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