復(fù)合材料氣瓶在空間系統(tǒng)中逐漸取代全金屬氣瓶而得到越來越廣泛的應(yīng)用。利用AINSYS大型有限元程序建立復(fù)合材料氣瓶及其內(nèi)襯的有限元模型,建模中將纖維纏繞層作為復(fù)合材料層合板處理,考慮了封頭處纏繞層厚度及纏繞角沿子午線不斷變化的情況。建立了氣瓶整體結(jié)構(gòu)的特征值屈曲分析與非線性屈曲分析有限元方程,并分別進行了氣瓶整體結(jié)構(gòu)和內(nèi)襯的外壓失穩(wěn)(屈曲)分析計算,得出了氣瓶整體結(jié)構(gòu)及內(nèi)襯的屈曲模態(tài)形狀和臨界外壓。
在保守載荷系統(tǒng)作用下的彈性結(jié)構(gòu)存在2種可能的屈曲形式,即分支點屈曲和極值點屈曲。分支點屈曲可以用傳統(tǒng)的經(jīng)典線性理論來研究,它除了在數(shù)學(xué)上作線性化處理外,還假定結(jié)構(gòu)是完善的,即沒有初始幾何缺陷,也不存在載荷的偏心,其求解失穩(wěn)載荷問題是一個求解特征值的問題。在工程上許多結(jié)構(gòu)都含有初始缺陷,或存在載荷的偏心,它在變形途中存在一個最大載荷,達到最大載荷后,變形會迅速增大而載荷而下降,這樣的屈曲屬于極值點屈曲。對于這類屈曲問題利用非線性分析是比較合理的。
空間系統(tǒng)使用的高壓氣瓶對于可靠性和安全性要求很高。本文所研究的對象是空間系統(tǒng)用復(fù)合材料高壓氣瓶,該氣瓶采用了新型材料結(jié)構(gòu),在國內(nèi)沒有成熟的設(shè)計技術(shù)和經(jīng)驗可以傳承。而氣瓶在加工、試驗及加注時有受外壓的情況;氣瓶在纏繞加工時,內(nèi)襯受纖維纏繞張力的外壓作用,纏繞完成后在未充氣狀態(tài)時,由于纖維的纏繞張力作用,因而也是處于壓應(yīng)力狀態(tài)。外壓達到一定值時氣瓶結(jié)構(gòu)可能發(fā)生屈曲失穩(wěn),所以對整個氣瓶和內(nèi)襯分別進行外壓下的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析是十分必要的,分析結(jié)果可以為氣瓶設(shè)計、加工和使用過程提供參考數(shù)據(jù)。
用有限元對大型復(fù)雜結(jié)構(gòu)進行結(jié)構(gòu)力學(xué)分析計算是工程上普遍使用的最有效的方法之一,而利用有限元理論建立與實際結(jié)構(gòu)相一致的有限元模型是進行結(jié)構(gòu)分析的基本前提和關(guān)鍵。只有建立了正確的有限元模型,隨后的分析計算才得以順利進行。
作者根據(jù)Ansys程序的功能特點和分析的需要,討論了復(fù)合材料高壓氣瓶的建模方法及過程,并進行了特征值線性)屈曲和非線性屈曲分析。
資料下載: 復(fù)合材料氣瓶的有限元建模與屈曲分析.pdf
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