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时间：2019-02-26
《复合材料气瓶的有限元建模与屈曲分析》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。
1、真空与低温第%%卷第%期!"*+,--./01234567,8#""9年"&月复合材料气瓶的有限元建模与屈曲分析杨福全:张天平:刘志栋:王小永;兰州物理研究所，甘肃兰州<&""""=摘要：复合材料气瓶在空间系统中逐渐取代全金属气瓶而得到越来越广泛的应用。利用>?@A@大型有限元程序建立复合材料气瓶及其内衬的有限元模型，建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理，考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。建立了气瓶整体结构的特征值屈曲分析与非线性屈曲分析有限元方程，并分别进行了气瓶整体结
2、构和内衬的外压失稳（屈曲）分析计算，得出了气瓶整体结构及内衬的屈曲模态形状和临界外压。关键词：复合材料气瓶B有限元建模B屈曲分析中图分类号：*#9文章编号：%"")$<"D);#""9="%$""!"$")!"#"$%%&%’%#$’()%&"#*+#),-./&"#*+#+&01"1(!.(230+#*!4564789:;+#*$<785=<8>9&"-:?<5@A8>9B+#*C<7A5DA8>E&78F?A4"8GH3、4LMNNNN9.?<87O+PGHQ7KHR03.E387F53G51H1+EE5IE1588-15G5885J58;0CK*=+15H7I5J2+EEJ75IF38E+,5828F5.’L767F55J5.56F.3I5J3M0CK*+6I7F8J7651+1558F+NJ78O5IN2>?@A@M767F55J5.56FE1341+.’P6FO5.3I5J764:FO5F3F+J3MM7J+.56FH76I764J+2518+15O+6IJ5I+8,3.E387F5J+.76+F5:H7F4、O,3687I51764G+17+F736+JFO7,Q6588+6IH1+E+64J53M5G512-67I715,F736+JJ+2513MFO5I3.58’R7456N-,QJ764+6I636J765+1N-,QJ764M767F55J5.56F5S-+F73683MFO576F541+JG5885J+1558F+NJ78O5I’T-,QJ764,+JU,-J+F7363M0CK*+6I7F8J7651+15158E5,F7G5J2.+I5:+6IN-,QJ764.3I+J8O+E58+5、6IFO5,17F7,+J3-F51E1588-15+153NF+765I。/IDSAQ@GR,3.E387F53G51H1+EE5IE1588-15G5885J58;0CK*=BM767F55J5.56F.3I5J764BN-,QJ764+6+J2878T引言在保守载荷系统作用下的弹性结构存在#种可能的屈曲形式，即分支点屈曲和极值点屈曲。分支点屈曲可以用传统的经典线性理论来研究，它除了在数学上作线性化处理外，还假定结构是完善的，即没有初始几何缺陷，也不存在载荷的偏心，其求解失稳载荷问题是一个求6、解特征值的问题。在工程上许多结构都含有初始缺陷，或存在载荷的偏心，它在变形途中存在一个最大载荷，达到最大载荷后，变形会迅速增大而载荷反而下降，这样的屈曲属于极值点屈曲。对于这类屈曲问题利用非线性分析是比较合理的V%W。空间系统使用的高压气瓶对于可靠性和安全性要求很高。本文所研究的对象是空间系统用复合材料高压气瓶，该气瓶采用了新型材料结构，在国内没有成熟的设计技术和经验可以传承。而气瓶在加工、试验及加注时有受外压的情况；气瓶在缠绕加工时，内衬受纤维缠绕张力的外压作用，缠绕完成后在未充气状态时，由于7、纤维的缠绕张力作用，因而也是处于压应力状态。外压达到一定值时气瓶结构可能发生屈曲失稳，所以对整个气瓶和内衬分别进行外压下的结构稳定性分析是十分必要的，分析结果可以为气瓶设计、加工收稿日期：#""!$%%$&"’作者简介：杨福全（%()($），男，甘肃省宕昌县人，硕士生，从事空间压力容器设计与分析研究。杨福全等：复合材料气瓶的有限元建模与屈曲分析!"和使用过程提供参考数据。用有限元对大型复杂结构进行结构力学分析计算是工程上普遍使用的最有效的方法之一，而利用有限元理论建立与实际结构相一致的有限元模型8、是进行结构分析的基本前提和关键。只有建立了正确的有限元模型，随后的分析计算才得以顺利进行。作者根据#$%&%程序的功能特点和分析的需要，讨论了复合材料高压气瓶的建模方法及过程，并进行了特征值（线性）屈曲和非线性屈曲分析。!建模’("复合材料气瓶结构简介所要分析的复合材料气瓶是由纤维缠绕复合层和金属内衬组成。内衬由圆柱段、等张力封头以及安装与气口接头组成。纤维缠绕复合层采用的线型为螺旋缠绕和环向缠绕相结合，其中封头部分全部为螺旋缠绕，圆柱段为螺旋缠绕与环向缠绕的组合。圆柱段的螺旋缠绕角由下式决定)
3、4LMNNNN9.?<87O+PGHQ7KHR03.E387F53G51H1+EE5IE1588-15G5885J58;0CK*=+15H7I5J2+EEJ75IF38E+,5828F5.’L767F55J5.56F.3I5J3M0CK*+6I7F8J7651+1558F+NJ78O5IN2>?@A@M767F55J5.56FE1341+.’P6FO5.3I5J764:FO5F3F+J3MM7J+.56FH76I764J+2518+15O+6IJ5I+8,3.E387F5J+.76+F5:H7F
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6、解特征值的问题。在工程上许多结构都含有初始缺陷，或存在载荷的偏心，它在变形途中存在一个最大载荷，达到最大载荷后，变形会迅速增大而载荷反而下降，这样的屈曲属于极值点屈曲。对于这类屈曲问题利用非线性分析是比较合理的V%W。空间系统使用的高压气瓶对于可靠性和安全性要求很高。本文所研究的对象是空间系统用复合材料高压气瓶，该气瓶采用了新型材料结构，在国内没有成熟的设计技术和经验可以传承。而气瓶在加工、试验及加注时有受外压的情况；气瓶在缠绕加工时，内衬受纤维缠绕张力的外压作用，缠绕完成后在未充气状态时，由于
7、纤维的缠绕张力作用，因而也是处于压应力状态。外压达到一定值时气瓶结构可能发生屈曲失稳，所以对整个气瓶和内衬分别进行外压下的结构稳定性分析是十分必要的，分析结果可以为气瓶设计、加工收稿日期：#""!$%%$&"’作者简介：杨福全（%()($），男，甘肃省宕昌县人，硕士生，从事空间压力容器设计与分析研究。杨福全等：复合材料气瓶的有限元建模与屈曲分析!"和使用过程提供参考数据。用有限元对大型复杂结构进行结构力学分析计算是工程上普遍使用的最有效的方法之一，而利用有限元理论建立与实际结构相一致的有限元模型
8、是进行结构分析的基本前提和关键。只有建立了正确的有限元模型，随后的分析计算才得以顺利进行。作者根据#$%&%程序的功能特点和分析的需要，讨论了复合材料高压气瓶的建模方法及过程，并进行了特征值（线性）屈曲和非线性屈曲分析。!建模’("复合材料气瓶结构简介所要分析的复合材料气瓶是由纤维缠绕复合层和金属内衬组成。内衬由圆柱段、等张力封头以及安装与气口接头组成。纤维缠绕复合层采用的线型为螺旋缠绕和环向缠绕相结合，其中封头部分全部为螺旋缠绕，圆柱段为螺旋缠绕与环向缠绕的组合。圆柱段的螺旋缠绕角由下式决定)
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