基于ISO 11439 標(biāo)準(zhǔn)及ANSYS 平臺(tái)的CNG 氣瓶有限元應(yīng)力分析.doc

-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-基于ISO11439標(biāo)準(zhǔn)及ANSYS平臺(tái)的CNG氣瓶有限元應(yīng)力分析岳中第馬寧劉彬（北京航空制造工程研究所，100024）摘要：本文針對(duì)鋁膽復(fù)合材料氣瓶設(shè)計(jì)與制造過程中提出的有限元應(yīng)力分析問題，根據(jù)ISO11439標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了綜述和研究，突出的應(yīng)用成果說明了這些技術(shù)的可靠性與實(shí)用性。1CNG氣瓶設(shè)計(jì)及其應(yīng)用背景氣瓶作為一種沒有固定使用地點(diǎn)和環(huán)境、無專職使用和操作人員的特殊壓力容器，已經(jīng)在國內(nèi)外得到了廣泛的研究和應(yīng)用。突出的范例有醫(yī)護(hù)領(lǐng)域的自救呼吸裝置及數(shù)以百萬計(jì)的各類公交汽車用的壓縮天然氣氣瓶。其中，復(fù)合材料纏繞氣瓶是用鋼膽或鋁膽作為內(nèi)襯，外面用高強(qiáng)度纖維復(fù)合材料纏繞制成，具有良好的抗疲勞、抗晶間腐蝕性能，且有較輕、便于搬運(yùn)及應(yīng)用等優(yōu)點(diǎn)。目前，發(fā)達(dá)國家已有300多萬只復(fù)合材料纏繞氣瓶在安全的使用著。傳統(tǒng)工程意義的“薄膜理論”，“網(wǎng)格理論”，對(duì)復(fù)合材料氣瓶的設(shè)計(jì)與分析計(jì)算，已不能滿足要求。氣瓶作為一種特殊的壓力容器，在安全性、穩(wěn)定性及可靠性等性能評(píng)定方面，根據(jù)ISO11439國際標(biāo)準(zhǔn)的要求，有嚴(yán)格的設(shè)計(jì)、制造、實(shí)驗(yàn)及性能驗(yàn)證的規(guī)范。本文涉及的CNG-3型氣瓶，是ISO11439標(biāo)準(zhǔn)中其制造技術(shù)最為復(fù)雜的一種，內(nèi)膽材料為鋁，纖維全纏繞。目前，鋁內(nèi)膽的設(shè)計(jì)與制造工藝，國內(nèi)外已經(jīng)形成十分先進(jìn)與穩(wěn)定的專利技術(shù)。作者針對(duì)全纏繞的CNG-3型氣瓶，進(jìn)行了材料非線性有限元分析方面的探索，并充分利用ANSYS的二次開發(fā)平臺(tái)，開發(fā)了適合CNG-3等類型氣瓶在各種壓力工況下的應(yīng)力分析與性能評(píng)定的軟件，從而能夠準(zhǔn)確、快速、方便地確定復(fù)合材料氣瓶是否符合工程應(yīng)用環(huán)節(jié)的要求。2對(duì)CNG-3型氣瓶進(jìn)行應(yīng)力分析的若干關(guān)鍵技術(shù)根據(jù)設(shè)計(jì)制造CNG-3型氣瓶的基本實(shí)踐，我們必需面對(duì)并真正解決若干關(guān)鍵技術(shù)問題。2.1ISO11439對(duì)復(fù)合氣瓶的應(yīng)力分析要求根據(jù)ISO11439國際標(biāo)準(zhǔn)，此類氣瓶總體上被分為四類，即CNG-1，CNG-2，CNG-3和CNG-4。其中，CNG-1指全金屬型氣瓶；CNG-2指金屬內(nèi)襯纖維纏繞浸漬樹脂型氣瓶，其纖維纏繞方向只是周向單向纏繞；CNG-3也指金屬內(nèi)襯纖維纏繞浸漬樹脂型氣瓶，但其纖維纏繞方向是全方向的；CNG-4指非金屬內(nèi)-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-襯纖維纏繞型氣瓶，即全復(fù)合材料氣瓶（如內(nèi)襯為塑料材料）。根據(jù)我們的理解，對(duì)于CNG-3，ISO設(shè)計(jì)規(guī)范的基本要求為：建立可用的材料非線性分析方法與流程；建立正確的材料非線性的彈-塑性、應(yīng)力-應(yīng)變模型；建立全纏繞狀態(tài)的復(fù)合材料機(jī)械性能參數(shù)計(jì)算方法；建立多纖維纏繞層或不同纖維材料構(gòu)成的材料本構(gòu)方程與平衡方程；分析纖維纏繞張力作用下的預(yù)應(yīng)力；不同壓力工況的應(yīng)力分析；必須進(jìn)行緊縮壓力、零壓力、工作壓力、水壓試驗(yàn)壓力、最小爆炸壓力等工況下的材料非線性應(yīng)力計(jì)算；最大的缺陷尺寸，應(yīng)能確保在循環(huán)壓力工況下的安全可靠性，同時(shí)可保證LBB性能（爆炸前先泄露）。2.2鋁膽與復(fù)合材料纏繞層的組合模型對(duì)于鋁膽復(fù)合材料氣瓶，其外部纖維纏繞層是由高強(qiáng)度增強(qiáng)纖維及其基體，如玻璃纖維/環(huán)氧樹脂、有機(jī)纖維/環(huán)氧樹脂及碳纖維/環(huán)氧樹脂等纏繞而成的。因此，它們具有比強(qiáng)度大、比剛度高等諸多的優(yōu)點(diǎn)。在高壓下，鋁膽很快進(jìn)入塑性，而纖維增強(qiáng)復(fù)合材料還在彈性狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)表明，這種組合模型至少在一個(gè)材料方向上呈現(xiàn)出應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的非線性。同時(shí)，石墨纖維/環(huán)氧樹脂、Kevlar纖維/環(huán)氧樹脂及硼纖維/環(huán)氧樹脂具有相當(dāng)高的剪切非線性；硼纖維/鋁復(fù)合材料具有相當(dāng)高的橫向或剪切非線性；碳/碳復(fù)合材料在各材料主軸方向均存在著較高的非線性等。這種非線性主要是由于基體性能的非線性和在受載過程中所產(chǎn)生的損傷缺陷引起的，它與基體的種類、纖維的形態(tài)、復(fù)合體積比率、纖維纏繞方向及承受載荷形式有關(guān)。顯然，這是一個(gè)復(fù)合材料本構(gòu)關(guān)系問題，通過應(yīng)力-應(yīng)變的物理非線性表現(xiàn)出來。如何準(zhǔn)確地描述本構(gòu)關(guān)系，對(duì)于我們能否較精確地進(jìn)行力學(xué)分析和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常重要的。材料非線性是指材料本構(gòu)關(guān)系的非線性。若不考慮變形對(duì)材料的影響，平衡方程簡化成線性，同時(shí)應(yīng)變和位移的關(guān)系也是線性的，這就是小彈塑性問題。在塑性區(qū)域內(nèi)，應(yīng)力和應(yīng)變之間不存在彈性范圍的廣義虎克定律。塑性變形的過程是不可逆的，變形功部分轉(zhuǎn)化為熱能，最后狀態(tài)的應(yīng)力與變形途徑有關(guān)。2.3預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)與材料非線性正確應(yīng)用預(yù)應(yīng)力技術(shù)，是纖維纏繞復(fù)合材料氣瓶的一個(gè)顯著特點(diǎn)，也是氣瓶應(yīng)力分析中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)形式是在60年代由預(yù)應(yīng)力鋼絲纏繞結(jié)構(gòu)發(fā)展起來的。隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，以及許多部門如原子能工業(yè)中的高速離心機(jī)和導(dǎo)彈武器系統(tǒng)等對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度、低重量和高可靠性方面提出了更高的要求，碳纖維等非金屬材料纏繞式預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)得到快速的發(fā)展和應(yīng)用。預(yù)應(yīng)力容器的基本力學(xué)特點(diǎn)是，內(nèi)壁是其強(qiáng)度最薄弱之處，起關(guān)鍵作用的是切向拉應(yīng)力，而徑向壓縮應(yīng)力恒等于內(nèi)壓之負(fù)值，這是無法改變的。預(yù)應(yīng)力容器的基本設(shè)計(jì)思想，就是在內(nèi)壁預(yù)先建立一種切向壓應(yīng)力預(yù)應(yīng)力，和拉伸的工作切向應(yīng)力疊加，以大大減少甚至于完全消除切向拉應(yīng)力，在合成狀態(tài)建立起切向壓應(yīng)力或壓應(yīng)變。這樣，就帶來一系列靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度上的優(yōu)點(diǎn)，它們是：材料的不同力學(xué)性能得到充分發(fā)揮；承載能力大；抗疲勞強(qiáng)度高；-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-安全可靠，無爆炸危險(xiǎn)。2.4金屬材料雙線性各向同性強(qiáng)化模式圖1鋁膽的Bauschinger效應(yīng)鋁膽復(fù)合材料氣瓶應(yīng)力分析的的關(guān)鍵性技術(shù)之一，是實(shí)現(xiàn)鋁膽復(fù)合材料氣瓶的材料非線性有限元分析。鋁膽復(fù)合材料氣瓶在設(shè)計(jì)中充分利用了結(jié)構(gòu)的材料非線性特點(diǎn)，通過自緊壓力（AUTOFRETTAGE）的拉伸,使金屬鋁膽達(dá)到屈服狀態(tài)，產(chǎn)生塑性效應(yīng)（即Bauschinger效應(yīng)），但外層纏繞的復(fù)合材料由于高強(qiáng)度而處在線性變形狀態(tài)。當(dāng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行卸載至零壓力，鋁膽因塑性變形不能恢復(fù)原始狀態(tài)，受到外層材料的緊縮壓力，產(chǎn)生了自緊應(yīng)力。圖1表明了鋁膽的Bauschinger效應(yīng)，拉伸方向的屈服應(yīng)力增加，導(dǎo)致后繼的壓縮屈服應(yīng)力在數(shù)量上降低，因此屈服應(yīng)力高低之間存在2y的差異。這種材料雙線性各向同性強(qiáng)化模式代表了應(yīng)力應(yīng)變曲線以及VonMises的屈服準(zhǔn)則。2.5ANSYS與數(shù)值模擬技術(shù)許多工程分析問題，都?xì)w結(jié)為在給定邊界條件下求解它們的控制方程（常微分方程或偏微分方程）的問題。但是，能用解析方法求出精確解的只有方程性質(zhì)比較簡單，且?guī)缀芜吔缦喈?dāng)規(guī)則的少數(shù)問題。對(duì)于大多數(shù)的工程技術(shù)問題，由于物體的幾何形狀復(fù)雜或者問題的某些特征是非線性的，則很少有解析解。因此，人們在廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學(xué)、力學(xué)理論的基礎(chǔ)上，借助于現(xiàn)代高速計(jì)算機(jī)來獲得滿足工程要求的數(shù)值解，這種數(shù)值模擬技術(shù)是現(xiàn)代工程學(xué)形成和發(fā)展的最重要推動(dòng)力之一。有限元法作為工程應(yīng)用中的一種最重要的數(shù)值模擬技術(shù)的地位越來越得到人們的公認(rèn)。ANSYS系統(tǒng)是國際上最具知名度的有限元分析軟件之一，也已作為我國壓力容器標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)推薦的基礎(chǔ)軟件之一，用于壓力容器性能分析與評(píng)定。它不僅是融結(jié)構(gòu)、熱、流體、電磁、聲學(xué)于一體的大型通用有限元分析軟件，而且還為用戶提供了一個(gè)不斷改進(jìn)功能的二次開發(fā)平臺(tái)，具體包括：結(jié)構(gòu)高度非線性分析、電磁分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析、優(yōu)化設(shè)計(jì)、接觸分析、自適應(yīng)網(wǎng)格劃分、大變形/有限轉(zhuǎn)動(dòng)功能以及利用ANSYS參數(shù)設(shè)計(jì)語言（APDL）的擴(kuò)展宏命令功能。AABy拉伸O2y壓縮B-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-FEACAC（TheFiniteElementAnalysisfortheCylinderofAluminum-linerwithComposites），便是在ANSYS二次開發(fā)平臺(tái)發(fā)展的，它使CNG的設(shè)計(jì)分析與性能評(píng)定完全實(shí)現(xiàn)了三“化”（通用化、系列化、參數(shù)化），成為CNG快速設(shè)計(jì)與性能評(píng)定的重要基礎(chǔ)手段。3基于ISO11439及ANSYS的FEACAC開發(fā)國際上先進(jìn)的CNG設(shè)計(jì)制造商提供的EPDRP技術(shù)報(bào)告（EngineeringPreliminaryDesignReviewPackage）表明，對(duì)復(fù)合材料氣瓶進(jìn)行有限元應(yīng)力分析計(jì)算是氣瓶設(shè)計(jì)最重要的基礎(chǔ)技術(shù)。其中，七種工況（自緊壓力、零壓力、工作壓力、實(shí)驗(yàn)壓力、最小爆炸壓力等）的結(jié)構(gòu)非線性應(yīng)力分析，是設(shè)計(jì)的核心關(guān)鍵技術(shù)，也是CNG-3國際標(biāo)準(zhǔn)認(rèn)證所要求的基本技術(shù)環(huán)節(jié)。我們在ANSYS二次開發(fā)平臺(tái)上發(fā)展的FEACAC，包括了三個(gè)宏程序包。它們是：（1）ALUM-專用于金屬內(nèi)膽的參數(shù)化FEA宏程序；（2）COMP_M-專用于金屬膽復(fù)合氣瓶方案設(shè)計(jì)的參數(shù)化FEA宏程序；（3）COMP-專用于金屬膽CNG-3型復(fù)合氣瓶整體強(qiáng)度校核的參數(shù)化FEA宏程序。FEACAC這些宏程序包分別為鋁膽設(shè)計(jì)及旋壓加工、復(fù)合氣瓶方案設(shè)計(jì)與優(yōu)化、性能評(píng)定與應(yīng)力校核開發(fā)的。圖2給出了FEACAC的運(yùn)行處理流程。圖2FEACAC處理流程其中，框1是用APDL語言開發(fā)的FEACAC宏程序庫，自動(dòng)產(chǎn)生FEA幾何模型，并建立各壓力工況的載荷模型與邊界約束條件。框2建立了有效的結(jié)構(gòu)非線性流程，及選擇了合適的求解大型稀