摘要: 本文用APDL參數設計語言編制的程式可同時進行壓力容器纏繞過程的動態仿真模擬及應力分析,可將實際纏繞參數直接用於應力分析,分析後得到的仿真數據可直接用於數控纏繞機進行生產,實現了纖維纏繞複合材料壓力容器CAD/CAE/CAM一體化。本文用微分幾何理論推導出纖維纏繞複合材料壓力容器的非測地線纏繞軌跡、包角方程及繞絲頭運動方程。在應力分析過程中考慮了幾何非線性和物理非線性。採用疊層的增量本構關係,以分段線性表示單層非線性應力 應變曲線,對損傷後引起的剛度降低進行了實驗研究,實驗特別研究了面內剪下破壞和層間剪下破壞對縱向彎曲剛度的影響。結果表明纖維纏繞複合材料壓力容器損傷後,彎曲剛度的降低是影響軸向變形的重要因素。
關鍵字: 壓力容器;複合材料;非測地線纏繞;一體化
纖維纏繞複合材料壓力容器廣泛套用於航空、航天等領域。其封頭處應力的複雜性要求設計參數與工藝參數必須相符。同時在進行應力分析時,選用的單層巨觀強度理論和對已破壞單層的剩餘剛度、剩餘強度及應力重分布是關鍵問題。
文獻將單層的剪應力 剪應變的試驗數據擬合成曲線並採用單層強度準則,預測了[±θ]s疊層單軸拉伸時的破壞應力;文獻採用分段線性的(G12)n曲線,疊層本構關係以及Tsai Hill強度準則研究了[0/±θ]s、[0/±90]s疊層板的破壞;文獻將第一破壞單層的基體降級使用,建議用0 4Em計算,相當於E2降至0 56E2,G12降至0 44G12,E1、γ12保持不變,再計算次一級的後續破壞。
本文用分段線性的方法,不僅實驗研究了橫向及面內剪下應力 應變的非線性關係,而且得到了面內及層間剪下損傷後縱向彎曲剛度逐漸遞減的實測數據,該數據直接作為應力分析的原始材料參數,並認為彎曲剛度的降低是影響殼體軸向位移的重要因素。文中的應力分析及纏繞過程的動態仿真結果可直接用於數控纏繞機進行生產,達到了結構設計、製造參數化、一體化的目的。
1 纏繞軌跡
纏繞軌跡是進行應力分析的基礎,同時也是控制數控纏繞機的關鍵數據。
(1)測地線方程、芯模轉角
設封頭曲面橢球方程為r={bcosucosv,bcosusinv,asinu},其中a為短軸,b為長軸,u、v為參量,由《微分幾何》知第一類基本量為
