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《纤维缠绕复合材料壳体中金属嵌件的受力分析及优化设计》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。
1、第18卷 第2期宇 航 学 报Vol.18No.21997年4月JOURNALOFASTRONAUTICSApr.1997纤维缠绕复合材料壳体中金属嵌件的受力分析及优化设计段登平 杜善义 韩杰才(哈尔滨工业大学复合材料研究所·哈尔滨·150001) 摘 要 本文对一纤维缠绕复合材料壳体中金属嵌件进行了受力分析及形状设计。通过受力分析与设计使得复合材料与金属嵌件接触面应力分布合理化,保证了接触面的变形协调,得到了优化的金属嵌件形式。主题词 复合材料壳体 金属嵌件 接触问题 有限元 优化STRESSANALYSYSANDOPTIMUMDESIGNOFEMBEDDEDMETA
2、LPARTSINFILAMENT-WOUNDCOMPOSITECASEDuanDengpingDuShanyiHanJiecai(HarbinInstituteofTechnology·Harbin·150001)AbstractStrssandshapedesignproceduresarepresentedforembeddedmetalpartsofalarge2scalefilament2woundcompositecase1Thegoodstressdistributionandtheproperdefor2mationareobtainedontheconta
3、ctinterfacebetweencompositecaseandembeddedmetalparts,andalsoanoptimummetalpartisgotten1KeywordsCompositecaseEmbeddedmetalpartsContactproblemFiniteelementOptimization1 前言纤维缠绕复合材料壳体中的金属嵌件与复合材料的连接是一个较普遍的问题,并且往往是一个潜在的弱点。金属嵌件与复合材料的连接部位,存在着几何和材料的不连续性,因此应力分布和变形极其复杂,常出现应力集中和变形不协调。对纤维缠绕复合材料壳体中本文于1
4、995年4月9日收到38宇航学报第18卷金属嵌件进行应力分析和优化设计可以得到接触区域的变形协调,应力分布趋向合理,从而减轻复合材料壳体的质量,提高其安全可靠性。因此,对金属嵌件的设计,是复合材料壳体设计的一个重要的组成部分。本文所分析的纤维缠绕复合材料壳体结构由纤维缠绕复合材料、橡胶弹性层及金属嵌件组成。复合材料壳体结构如图1,直径大约114米,长度大约为115米,圆筒段壁厚大约为8毫米。该壳体内部承受高温高压,还承受轴向压力;要求工作环境中有高的可靠性及轻的质量。复合材料壳体局部处受力通过金属嵌件、橡胶弹性层传递于复合材料,由于材料性能差异,引起变形不协调等严重问题,
5、使得复合材料、金属嵌件接触面附近的受力状况十分复杂。在已往的设计中这一部分的分析与设计常采用经验或图1 纤维缠绕复合材料壳体半经验的方法,使得复合材料壳体常常达不到要求的可靠性和轻的质量,降低了结构的使用性能。为提高复合材料壳体设计水平,保证其安全可靠性,减轻质量,作者对该复合材料壳体中复合材料、橡胶弹性层及金属嵌件接触区域进行了详细的受力分析,并对金属嵌件进行了形状化设计。获得了较满意的结果,对该类复合材料壳体设计提供了参考范例。在图1中,由于前裙与后裙的对称性,后封头金属嵌件较与前封头相对应的金属嵌件工况恶劣,再加上篇幅所限,本文只给出É、Ê部位接触区域的分析结果和É
6、部位金属嵌件的优化结果。ÉÊ部位接触区域的剖面图如图2。图2(a)É部位接触区域剖面图(b)Ê部位接触区域剖面图2 理论分析模型复合材料、橡胶弹性层及金属嵌件间的传力,按接触问题处理能较准确地分析出其受力情况和变形情况,其分析属于边界非线性问题,一般采用有限元法。本文采用混合有限元法进行分析。211 接触问题有限元法数学模型如图3所示接触体系,其有限元方程为[Ki]{$Ui}={$Ri}+{$Pi}(1) 其中,[Ki]、{$Ui}、{$Ri}和{$Pi}分别为第i步增量刚阵、节点位移增量、简化第2期段登平等:纤维缠绕复合材料壳体中金属嵌件的受力分析及优化设计39到节点
7、上的外载荷增量及作用在接触节点上的节点力增量。接触体系的位移增量协调方程为:aaaa{Ei}d={Ei-1}d+{$U2i}d-{$U1i}d(2) 其中,d代表全体可能接触点对,a表示总体坐标,aa{Ei-1}d及{Ei}d分别为各种可能接触点对第i增量步开始和aa结果时的相对间距,{$U1i}d及{$U2i}d为第i增量步内81、82沿接触点的位移增量。212 复合材料壳体中局部接触面有限元分析模型在整个复合材料壳体划分有限元单元的基础上,对局图3 接触模型部接触面采取单元细化处理。使其既能反映接触面的实际情况,又能保证
