复合材料薄壁筒的数值模拟及实验验证

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1、簧删蝴2012年6月第3期材料力口工复合材料薄壁筒的数值模拟及实验验证洪强何德水冯青(北京新风机械厂，北京100854)摘要：采用Ansys有限元软件，对以碳纤维，高硅氧玻璃纤维／酚醛树脂为材料，采用缠绕工艺制造的有导轨薄壁筒进行了弹射物筒内弹射阶段动态分析，与试验数据进行对比，说明采用该方法进行数值模拟，结果准确，可作为工程及设计参考。关键词：树脂基复合材料；薄壁筒；数值模拟；缠绕工艺NumericalSimulationandExperimentalValidationofCompositeMaterialThin—wallTubeHongQiangHeDeshu

2、iFengQing(BeijmgXinfengMachineryFactory,Beijing100854)Abstract：TheAnasysfmitcsoftwareisusedtosimulatetheejectprocessoftheobjcctinthethin．walltube，whichismadefromcarbonfiber／highsiliconglassfiber／phenolicresinbyfilamentwindingprocess．Contrastedwiththeexperimentaldata,theresultprovedthatt

3、henumericalsimulationmethodisvalidate，andmaybeusedinrnanufactoryanddesign．Keywords：resinmatrixcompositematerials；thin—walltube；numericalsimulation；filamentwinding1引言以树脂为基体的纤维增强复合材料具有较高比强度和比模量、良好的抗疲劳性、尺寸稳定、耐热、耐烧蚀、耐腐蚀等优点，现已广泛应用于航天领域。如树脂基复合材料的薄壁筒，使用碳纤维／高硅氧玻璃纤维／酚醛树脂材料，采用缠绕成形工艺进行制造，为保证弹射物出筒时

4、的速度及稳定性，在薄壁筒内有来复线形的螺旋导轨，以使弹射物在筒内运动时沿导轨螺旋前进，出筒时获得预期的旋转速度及直线速度。因复合材料性能的可设计性，在进行薄壁筒缠绕工艺时，设计不同的玻璃纤维／碳纤维的缠绕层数、次序及角度，可获得不同的薄壁筒筒体强度、刚度；导轨可采用不同材料及剖面几何形状进行制造，从而具有不同的弹性模量，进而影响弹射物出筒前的运动状态，使弹射物出筒时获得不同的旋转速度及直线速度。本文以某薄壁筒为例，介绍了一种采用Ansys有限元仿真软件对弹射物出筒动态过程及薄壁筒受力状况进行分析的方法。2薄壁筒几何结构及建模分析薄壁筒主体包括筒壁及螺旋导轨。筒壁由玻璃

5、纤维，碳纤维按不同厚度及角度逐层缠绕制造，导轨由短切玻璃纤维经模压制成，制作为实心和空心两种。薄壁筒及弹射物模型如图1、图2所示。作者简介：洪强(1973一)，硕士，航空宇航制造工程专业；研究方向；复台材料成形工艺：收稿日期：2012"-04—21．图1薄壁筒及弹射物三维模型——实心导轨Solid45实体单元进行模拟。在弹射物尾部加载随时间变化的推力直线段，以近似弹射物出筒过程中所受的推力睦线。模拟方法为动态完全(FIlll)分析法。建模后，有限元网格划分如图4所示。其中导轨网格采用“MPC”方法与筒体网格连接。图4薄壁筒及弹射物有限元网格图2薄壁筒及弹射物三维模型—

6、—空心导轨3弹射物筒内弹射阶段动态模拟及实验验证对于复合材料缠绕成形的筒壁，可认为是一种层合结构，即筒壁是由一层层材质及方向不同的“单向板”层压而成，每层纤维缠绕的角度即为该层“单向板”的铺层方向，每层缠绕厚度与“单向板”厚度一致，不同材料的缠绕顺序即为铺层顺序。因此，可用Ansys软件中适合模拟层合板的复合材料结构单元如Shell99、Shcnl91、Solid46等进行模拟，因本文所述薄壁筒材料静态及动态过程都处于线性范围，故采用了线性层合结构SheU99单元。修改模型以适合有限元分析，如图3所示。其中筒壁由“面”建模，划分为2D单元，将“面”模型赋予层数及每层厚

7、度值形成3D单元。“单向板”材料的模量、强度等物理量通过实验获得。图3薄壁筒及弹射物有限元模型薄壁筒内的螺旋导轨，由短切纤维及树脂组成，整体性能类似于弹性材料，且没有明显的方向性，本文采用了Solid64实体单元进行模拟，并设为各向同性，其材料特性由实验获得。本文研究了实心及空心两种不同导轨剖面形状对弹射物弹射及筒体受力的影响。在动态模型中，弹射物被视为普通刚体，采用3．1弹射物出筒速度模拟及实验验证了其它条件完全相同情况下，薄壁筒实心与空心导轨对弹射物出筒速度的影响，其中弹射物出筒速度分为沿轴直线速度与绕轴旋转角速度两个分量。以实心导轨实验测得的直