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纖維纏繞復合材料彎管的有限元分析

發布于:2022-02-09 19:07
有限元分析

      自20世紀40年代第一條玻璃鋼管道安裝用于防化學腐蝕以來,復合材料管道得到了迅速發展。目前,玻璃鋼管道已進入成熟階段,成為通用管道。由于采用纖維纏繞復合材料彎管具有強度高、模量高、質量穩定、生產效率高和成本低等特點,并已經成為發達國家主要的彎管成型工藝。我國從20世紀70年代初開始小批量生產玻璃鋼管道,工藝以纏繞和手糊為主。近年來,我國也開始采用纖維纏繞方式進行復合材料彎管的生產。目前,對于纖維纏繞結構工藝的研究較多,例如:纖維纏繞過程中的曲面架空問題;纖維纏繞過程中的張力;纖維纏繞圓柱殼的前屈曲變形問題;通過考慮材料的非線性因素,對纖維纏繞殼體的變形進行分析和計算;以及對纖維纏繞壓力容器結構,基于網絡理論,給出了纖維纏繞圓筒壓力容器和封頭爆破壓強的計算方法,并給出了用模擬實驗壓力容器確定纖維發揮強度的方法。
      本文提出采用商用有限元分析軟件ANSYS,利用其中的層合板單元,對纖維纏繞復合材料彎管的強度進行分析,并進一步預測了彎管的破壞壓力。通過與試驗結果的對比,驗證了分析模型和分析方法的有效性,為分析纖維纏繞彎管結構的強度提供了一種有效的途徑,該方法可為纖維纏繞結構的設計提供有價值的參考。
      將彎管視為層合板,鋪層為[(±α)4]T,彎管最薄處為6.2 mm,最薄處鋪層的平均厚度為0.775mm。將整個彎管共劃分為9 264個節點和3 234個單元。其中彎管復合材料結構部分采用SHELL99單元類型,其直管段沿圓周方向劃分為44個單元,沿軸向劃分為10個單元,兩段直管段共分為880個單元;90°彎管段沿圓周方向分為44個單元,沿母線方向劃分為48個單元,共計分為2112個單元。彎管的兩個端部為金屬板,厚度為10 mm,采用SHELL63單元,共劃分為242個單元。有限元分析的網格如圖1所示。
      由于90°彎管段在纏繞過程中,其厚度和纏繞角隨著坐標的變化而變化。因此,在生成單元時,采用直接生成方法,即先依次給出各節點的坐標,然后由節點生成單元,并指定單元的厚度和鋪層角度。每一個單元即為一個層合板,其鋪層均為8層,每一層的厚度和纏繞角取纖維纏繞芯模時布滿一次的平均厚度和平均纏繞角。彎管兩端固支,內壓為0.6 MPa。應力分析結果如圖2和圖3所示。圖2給出了彎管軸向應力的分布圖,從圖2中可以看出,軸向應力最大值為6.06MPa,位于最大曲率處,較小的軸向應力位于曲率最小處,而且軸向應力沿彎管由中心向兩端逐漸減小。圖3給出了彎管周向應力的分布,其中最大的周向應力為16 MPa,最小的周向應力為5.99 MPa,均位于彎管中與直管相連接處附近。


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