對于復合原料壓力容器的框架探究

發(fā)布于：02-11

在結構分析中，復合材料層視為橫觀各向同性彈性材料，采用復合材料殼體單元Shen9進行分析；鋁合金內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。復合材料層與內襯層界面采用接觸分析以保證變形協調性及不可貫人性，用面一面接觸單元Contaot173模擬兩相材料界面，有限元網格劃分與實物對照。在結果分析過程中，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計算結果與分析所分析的壓力容器在一個充放氣過程中經歷應力一應變的變化歷程，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，復合材料層采用應變形式來考慮，以方便水壓試驗中應變校核。內襯層采用應力考慮，以便于考察其塑性狀態(tài)。結構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力值，其中橫坐標定義方式如所示?？梢钥闯觯忸^2個極孔附近應力變化復雜，但應力數值均沒有超過其強度數值，最大應力數值為1.5GPa。

數據采集軟件，水壓泵，給出了測試示意圖。首先將復合材料壓力容器外表面貼應變片，應變方向為環(huán)向和縱向。然后，通過電阻測試檢驗應變片的有效性。最后，開啟應變測試軟件，在卸載過程中，復合材料層彈性恢復力使內襯層處于壓應力狀態(tài)。在此壓應力狀態(tài)下，過薄的內襯厚度很有可能發(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。容器內襯屈曲因受到外壁復合材料層的限制，屬于限制性屈曲?？紤]到限制性屈曲模擬的復雜性，本文中采用簡化模型對容器的內襯屈曲進行模擬，簡化模型中外層為復合材料，內層為金屬
內襯圓環(huán)結構。



為了實現內襯層屈曲變形模擬，需要在簡化模型內襯部分施加幾何缺陷，使內襯層產生面外應力，最終使缺陷在面外壓應力作用下演變?yōu)榫植壳冃巍秃喜牧蠈优c內襯層仍然采用接觸分析進行，以保證無壓應力作用下發(fā)生網格嵌人和變形協調。內襯層局部屈曲變形產生依據最大變形點的荷載一位移曲線進行判斷，給出了內襯最大變形點的荷載一位移曲線，荷載為容器內壓數值，位移是指內襯最大變形點徑向位移。可以看出，當容器結構沒有缺陷時，最終結構變形并未恢復至初始位置，可以看出，在此壓力下，內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襯復合材料壓力容器進行了結構分析。在分析過程中，幾何模型中的封頭段考慮了復合材料鋪放角度和厚度沿平行圓半徑的變化，材料模型中的復合材料層和內襯層分別選用復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調性及不可貫人性引人接觸分析進行考慮。數值結果表明，加載過程中，容器復合材料層封頭曲率變化處環(huán)向存在壓應變區(qū)域，縱向全部處于拉伸應變區(qū)域。卸載后，容器的復合材料層并未恢復到原始狀態(tài)，仍然與加載過程相似，只是數值上減小。內襯結構在加載過程中，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變狀態(tài)，實驗應變測試結果驗證了容器計算模型的可靠性。 ??