带缺陷薄壁铝内衬复合气瓶的有限元分析

基于有限元模拟软件MSC.Marc建立了带内衬缺陷的复合气瓶有限元模型,建模过程中考虑了封头处缠绕层厚度和缠绕角沿子午线的不断变化,对封头每个单元分别定义了单元厚度及材料主方向.研究了不同位置、尺寸的内衬缺陷对内衬爆破压力、位移、应力及应变分布的影响.结果表明,当夹杂位于封头处时,长度＜112 mm的夹杂对内衬的爆破压力无明显影响;而当夹杂位于筒中部和过渡区时,随着夹杂长度的增加,内衬的爆破压力明显降低,降低幅度最高达到15％.夹杂周围会产生应力集中,夹杂处位移、应力、应变分布不均匀.应变分布规律与应力分布规律基本一致,夹杂周围三向应变等值线会发生弯曲.     

碳纤维缠绕复合气瓶自紧力和疲劳的数值模拟

采用数值模拟方法研究了自紧工艺对碳纤维缠绕复合气瓶的应力分布和疲劳性能的影响。基于ANSYS商用有限元分析软件,考虑气瓶封头部分碳纤维缠绕层的角度和厚度沿封头子午线的连续变化,建立了有限元模型。分析验证了54 MPa自紧压力对复合气瓶零压和35 MPa工作压力下内衬和复合材料缠绕层应力的影响,并利用Coffin-Manson公式预测了复合气瓶的疲劳寿命。结果表明,自紧后复合气瓶内衬在工作压力下的最大应力减小了29.1%。有限元计算的疲劳寿命结果与实验测定结果之间的误差<8%,验证了有限元模型和计算方法的正确性。     

复合材料高压气瓶的碳纤维缠绕设计和ANSYS分析技术

为了获得复合材料气瓶合理的有限元分析模型,并能够有效地掌握气瓶固有的变化规律,以不锈钢316L为内衬、碳纤维(T1000GB)/环氧树脂(BA202)为复合层的高压气瓶作为研究对象,介绍了一种采用螺旋缠绕与环向缠绕组合线型的缠绕设计方法.利用该方法确定复合层厚度、缠绕角、缠绕层数等参数,运用ANSYS程序,采用薄壁壳单元shell91建立了复合层多层结构模型,得出了气瓶应力、应变分布规律,并给出了气瓶疲劳破坏点和起裂点处失效参数的变化历程,最后,将ANSYS计算结果与试验实测结果作了比对分析,为定量化研究复合材料气瓶提供准确的数据支持.研究结果表明:ANSYS数值仿真结果与试验结果吻合良好,采用壳单元shell91可以比较正确地模拟复合层的多层结构;柱形复合材料气瓶破坏薄弱点位于简体(靠封头)部位,气瓶受环向膨胀力影响较大,易使其沿纵向撕裂;随瓶内压力升高,薄壁内衬发生完全塑性变形,复合层仅发生弹性变形.     

含矩形缺陷结构纤维全缠绕气瓶的爆破压力预测

采用数值模拟与理论分析相结合的方式对含矩形缺陷纤维全缠绕气瓶的力学行为进行分析。基于Hashin准则进行损伤模式表征以及损伤起始判定,并使用参数退化的损伤演化法则,使用FORTRAN语言编写了适用于ABAQUS/Explicit求解器的VUMAT子程序。选择缠绕顺序为[90°_2/18.9°_2/90°_2/28.9°_2/90°_2]纤维全缠绕气瓶为研究对象,分析矩形缺陷深度对于纤维缠绕气瓶应力水平影响。基于缺陷深度对筒体各层周向及轴向应力的影响,采用修正方法提出含缺陷纤维全缠绕气瓶爆破压力预测模型,模型预测结果与有限元模拟结果一致。对含不同缺陷深度的爆破压力做出预测,分析结果表明,当缺陷深度大于1.26 mm时,爆破压力迅速下降,影响气瓶正常使用。     

基于微分几何纤维缠绕回转壳封头的厚度计算

应用微分几何理论,建立了纤维复合材料在回转壳封头上稳定缠绕的数学模型,推导出了缠绕角、中心角与轴向坐标之间的微分方程。结合缠绕轨迹在封头上叠带的几何关系,给出了厚度的计算方法。算例表明该计算方法反映了纤维缠绕回转壳封头上厚度的分布规律,可直接应用于结构的初步设计。     

基于细观刚度模型的缠绕复合材料结构有限元分析方法

 缠绕复合材料结构分析是缠绕复合材料力学性能研究及应用的重要基础。发展了一种缠绕复合材料结构分析有限元方法,该方法基于缠绕复合材料细观刚度模型,通过建立细观刚度场与整体结构的映射关系,将缠绕复合材料细观刚度模型引入缠绕复合材料结构有限元分析中。采用各向异性单元,几何模型与网格划分等过程不需要进行复杂的处理,单元材料属性采用细观刚度模型计算,并通过已建立的细观刚度场和整体结构的映射关系输入。建立了缠绕复合材料结构有限元分析的流程,采用MATLAB程序编写了细观刚度场计算程序,采用ANSYS提供的APDL语言开发了几何建模、分网、读入刚度矩阵等相应分析程序,最后进行了算例分析。算例结果表明,缠绕复合材料内部各层应力应变呈周期性分布,应力应变在纤维交叉和波动区域有所变化,纤维波动对局部应力具有放大作用;纤维走向的交替造成内部剪切应力的正负交替;纤维弯曲引起的局部刚度下降造成局部的应变较大。与传统的经典层合板理论或有限元方法相比,在缠绕复合材料有限元分析中,采用基于傅里叶级数的细观刚度模型,可以反映材料内部细观结构对应力应变分布的影响;同时,方法简单,便于程序实现。     

优化无焊缝钛内衬内表面质量的旋压工艺

针对复合材料压力容器用无焊缝TA1钛内衬,利用收口旋压实验和有限元模拟分析研究了两种典型收口旋压旋轮轨迹(水平直线和斜线轨迹)对旋压封头内表面缺陷的影响。结果表明:较斜线旋压,水平旋压后内表面褶皱等缺陷明显减少,说明水平旋压是一种优化无焊缝钛封头内表面质量的有效方式。有限元模拟分析表明:较斜线旋压,水平旋压每道次内表面的等效应变增量分布更均匀,并且多道次旋压后内表面的累积等效应变更小,说明水平旋压具有更均匀的变形特点和更少的应变累积,是内表面具有较弱褶皱趋势的主要原因。     

塑性工作内衬复合材料气瓶结构设计研究

为提高航天复合材料压力容器(COPV)性能因子,COPV壳体常采用超薄壁塑性工作金属内衬和高强碳纤维缠绕的双层壳体结构.通过对传统的网格理论进行优化,提出了塑性工作内衬COPV结构静力学计算的算法,联立求解各内压载荷阶段的静力学平衡方程和应变协调方程,对COPV纤维与内衬应力应变进行计算和分析.利用ANSYS有限元软件...     

中间层厚度对陶瓷扩散焊接头应力分布影响的数值分析

采用有限元计算方法，对平面应变、平面应力两种应力状态下含中间层的陶瓷接头界面上应力分布规律进行数值分析。得到了接头界面上正应力和剪应力沿板定的分布曲线。结果表明，中间层材料厚度小时，两种应力状态下的正应力和剪应力在接头界面上滑板定的分布基本均匀。中间层材料厚度增大，平面应变状态下试件中部的正应力增大并出现峰值；平面应力状态下在试件自由瑞边缘正应力增大并出现峰值。两种应力状态下界面上的剪应力由板中央到板边缘逐渐增大，界面上边缘处最大剪应力的值也随中间层厚度的增加而增大。因此，在保证接头接合良好的前提下，应采用小厚度的中间层。     

基于有限元模拟的三维型材拉弯轨迹设计

针对三维型材拉弯,提出一种基于变形控制有限元模拟的轨迹设计方法。首先提取模具长度方向特征线并将其离散成诸多线段单元,这样毛料逐步包覆模具的过程就变成毛料包覆这些线段单元的过程。给定毛料依次包覆线段单元发生的变形,根据切线接触条件（拉弯成形过程中毛料离开模具的位置处两者相切）计算出每步毛料末端位移。将这些位移作为边界条件输入有限元模型中计算毛料应力、应变和回弹。根据成形极限图和规定最大回弹超差量来调整变形模式,找到优化的变形模式和拉弯轨迹。以中空矩形截面型材三维拉弯为例,给出了轨迹设计的详细流程。     

基于渐进损伤的纤维全缠绕铝内胆气瓶自紧工艺

采用渐进损伤的分析方法对纤维全缠绕铝内胆气瓶的力学行为进行分析。基于三维Hashin失效准则,自定义刚度折减方案,编译VUMAT子程序,实现了复合材料层合板损伤的产生和演化过程的模拟。依据经典网格理论并结合实际情况,建立气瓶有限元模型。分析了复合材料层渐进损伤发展和累积的过程,验证了自紧工艺对提高气瓶承载力的必要性,提出了合理的自紧力范围。研究结果表明,损伤发生的顺序或可能性:基体拉伸拉伸分层纤维拉伸/基体压缩,且损伤大都从螺旋缠绕层开始。除基体拉伸损伤由封头向筒体发展,由复合材料外层向内层发展,其余损伤大都从筒体中部向两端发展,由内层向外层发展。当自紧力为最大工作压力的1.5~1.65倍时,气瓶的应力分配得到改善,承载能力得到提高。从减少复合材料的损伤和最大程度降低内衬应力的角度,最优自紧力应为最大工作压力的1.5倍。     

铝内衬碳纤维缠绕复合气瓶自紧压力分析

应用解析计算的方法对铝内衬碳纤维全缠绕复合材料气瓶在内压情况下的弹塑性历程进行了分

析,推导并得到了气瓶的自紧压力,通过水压应变测试及疲劳试验的方法进一步验证了计算结果的合理性。经

对比分析,文中提到的计算方法可用于今后相似结构气瓶的自紧力计算。

     

孔冷挤压有限元仿真中的铰削分界面位置确定方法

开展孔冷挤压过程有限元仿真计算是残余应力分布获取和疲劳寿命预测的前提。在有限元建模阶段，设置铰削层单元与基体材料单元之间的分界面，是模拟铰制终孔工艺过程的关键。通过弹塑性力学分析，建立了挤压强化过程芯棒、衬套和被挤压强化连接孔的应力分析方法；基于分析中得到的不同位置处微单元的径向位移量，建立了铰削分界面相对位置计算模型。并开展了关键参数的敏感性分析，定量研究了关键参数变化对残余应力分布和径向位移量的影响程度。本工作为孔冷挤压强化有限元模型建立中，铰削层单元与基体材料单元分界面相对位置确定，提供了便捷可靠的方法。     

自紧工艺对CFRP气瓶应力水平的影响

文摘利用ABAQUS有限元软件,对铝内胆结构的CFRP气瓶进行了分析,根据其结构建立了模型,采用二维Hashin失效准则对纤维缠绕层进行了渐进失效分析,包含了4种失效模式,纤维及基体的拉伸和压缩失效。研究了不同失效模式的萌生和分布规律。对自紧原理对气瓶的影响进行了研究。分析得出只有当气瓶承载压力大于自紧工艺压力时,内衬PEEQ值才会在自紧工艺后继续发生累积,气瓶自紧力开始失效。     

刚性隔热瓦组件拉伸强度有限元分析与验证

为研究侧面涂层和应变隔离垫厚度及两者刚度对刚性隔热瓦及组件力学性能的影响,构建一种对称结构的刚性隔热瓦分析模型,进行了拉伸试验和有限元分析。结果表明,在拉伸载荷作用下刚性隔热瓦的应力分布不均匀,具有明显应力集中现象,其拉伸强度水平与最大应力密切相关,随涂层厚度或刚度增加,刚性隔热瓦最大应力上升,拉伸强度降低;当刚性隔热瓦粘结应变隔离垫时,应变隔离垫厚度增加或刚度减小,刚性隔热瓦最大应力下降,拉伸强度增大;当刚性隔热瓦含涂层时,增加应变隔离垫可减缓涂层对刚性隔热瓦的影响;并对有限元分析结果进行了试验验证,计算结果与试验结果吻合良好,表明建立的刚性隔热瓦分析模型合理,揭示了涂层和应变隔离垫参数与刚性隔热瓦失效的关联关系。     

平面铝板上的压电振动除冰方法

以平面铝板为对象,对压电振动除冰方法进行了理论与实验研究。使用有限元方法(FEM)分析了压电片(PZT)长度和厚度对所激发结构模态振动强度的影响。建立了冰层的二维受力模型,分析接触面上的切应力分布,为除冰模态的选取提供指导。结果表明,理想情况下当PZT长度约为某模态半波长的奇数倍时,对该模态的激发效果最好,此外压电片长度还受到结构表面应变分布的影响。在满足强度要求的前提下,压电片厚度应尽量小。结构与冰接触面上的最大切应力出现在结冰边缘部位,大小与结构表面的应变有关,在振动节线附近的切应力最小。实验获得了较好的验证结果,除冰功率约为36.5 W/m2,比电热除冰方法的功耗低1~2个量级。     

复合材料接头三维有限元技术研究

介绍了复合材料三维单元刚度矩阵，用三维有限元方法计算了复合材料层压耳片接头拉伸、剪切、弯曲载荷的问题；给出了孔边应力分布及弯曲时层间剪应力分布。结果表明：当载荷平行于铺层且沿厚度均匀分布时，应力沿厚度方向变化不大，主要与铺层角度有关；当载荷不平行铺层时，层间剪切应力和拉伸应力较大，是接头破坏的主要原因。     

铝锂合金喷丸强化数值模拟及试验

根据喷丸强化工艺过程的特点,利用ABAQUS有限元计算软件建立了模拟喷丸残余应力场的三维有限元模型.在此模型基础上研究了喷丸速度、弹丸直径及弹丸数量等因素对铝锂合金喷丸残余应力场的影响规律,进而对比了单弹丸模型、均布式阵列弹丸模型和随机弹丸模型下残余应力场的分布规律.采用X射线残余应力仪和电解抛光法得到喷丸强化后沿铝锂合金试件厚度方向的残余应力分布规律.残余应力层深度约为0.24mm,最大残余应力出现在距表面深度为0.08mm处,验证了有限元模型的有效性.      

工艺参数对Ti75 合金筒形件旋压成形的影响

建立了Ti75合金筒形件旋压三维有限元模型,分析了旋压过程中应力应变的分布规律.得到了进给速率、减薄率和旋轮工作角三个关键工艺参数对旋压过程的影响规律:随着旋轮工作角、进给速率和减薄率的增加,旋压力和隆起高度均增大;等效塑性应变随着减薄率的增加而增大,随进给速率的增大而减少,进给速率超过1 mm/s时,等效塑性应变基本保持不变;工作角小于20°范围内变化时,最大等效塑性应变几乎不变,当旋轮工作角超过25°,最大等效塑性应变迅速增大.     

含初始缺陷的复合固体推进剂力学性能

为研究含初始界面缺陷的复合固体推进剂力学性能,基于周期性假设和分子动力学算法构建复合固体推进剂细观结构模型,在高氯酸铵(ammonium perchlorate,AP)颗粒与端羟基聚丁二烯(hydroxyl-terminated polybutadiene,HTPB)基体界面处设置粘接单元,并引入双线型内聚力模型描述界面层的力学响应。通过相应算法实现对界面缺陷单元的自定义,基于商业有限元软件ABAQUS数值计算存在初始界面缺陷的推进剂的宏观力学响应,其应力-应变云图表明缺陷界面处会更早达到损伤条件发生脱粘,缺陷的存在会加速推进剂的断裂失效的进程。通过对比不同界面缺陷含量的仿真结果,发现界面缺陷降低了推进剂的力学性能,缺陷含量越高则力学性能下降越明显,推进剂的初始模量及抗拉强度随缺陷含量的增加呈指数下降的趋势。