CN105046074A

CN105046074A - 一种模拟产生预应力的方法

Info

Publication number: CN105046074A
Application number: CN201510402534.1A
Authority: CN
Inventors: 杨福江; 吴雷; 王文才; 李楠; 舒朝霞; 杨子龙
Original assignee: Research Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry
Current assignee: Research Institute of Physical and Chemical Engineering of Nuclear Industry
Priority date: 2015-07-10
Filing date: 2015-07-10
Publication date: 2015-11-11

Abstract

本发明公开了一种模拟产生预应力的方法，包括建立金属转筒的几何模型、建立缠绕复合材料的几何模型、确定金属转筒和缠绕复合材料的物理参数、对缠绕复合材料施加温度载荷、调整缠绕复合材料的温度载荷、观察计算结果等步骤。本发明通能够计算出纤维缠绕金属转筒的变形和应力，为模拟纤维缠绕金属转筒的状态提供了一种实验方法。本发明方法简单，通过调整温度就可以实现不同预应力状态的模拟。

Description

一种模拟产生预应力的方法

技术领域

本发明属于纤维缠绕技术领域，具体涉及一种模拟产生预应力的方法。

背景技术

纤维缠绕成型所制成的产品可以充分发挥缠绕复合材料的特点，使制品最大限度地获得所要求的结构性能，如内压容器等。对于内压容器，是在金属筒体外部缠绕纤维缠绕复合材料，当内部充压时，通常是金属筒体的强度成为内压容器的薄弱环节。为解决该问题，可以在缠绕纤维时施加一定张力，使内部金属筒体承受一定压应力，这样在内部充压时，可以保证金属筒体承受较低的应力。但在设计分析时，如何准确模拟纤维缠绕后的整个内压容器的应力状态，是首先要解决的问题。为解决该问题，通常首先想到的是过盈方法，也就是在建模过程中，使金属筒体与纤维缠绕复合材料之间有一定过盈量，来模拟缠绕后内压容器的应力状态，该种方法需提前确定过盈量大小，对于不同预应力需要改变过盈量，并修改模型，计算较为复杂。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种模拟产生预应力的方法。

本发明的技术方案是：一种模拟产生预应力的方法，包括如下步骤：

（ⅰ）建立金属转筒的几何模型

按照实际金属转筒的几何尺寸建立几何模型，其中转筒壁厚S₁=1~3mm，内直径D=400~800mm，长度L=1500~3000mm。

（ⅱ）建立缠绕复合材料的几何模型

按照实际缠绕复合材料的几何尺寸在金属转筒外部建立缠绕复合材料的几何模型，其中缠绕复合材料的厚度S₂=3~6mm，内直径与金属转筒外直径相同，长度与金属转筒长度相同。

（ⅲ）确定金属转筒和缠绕复合材料的物理参数

按照实际定义金属转筒和缠绕复合材料的模量、泊松系数、热膨胀系数，所述金属转筒材料为铝或不锈钢，缠绕复合材料为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维。

（ⅳ）对缠绕复合材料施加温度载荷

对缠绕复合材料施加100℃~150℃温度载荷，根据热胀冷缩原理，使缠绕的缠绕复合材料收缩，对金属转筒产生压力。

（ⅴ）调整缠绕复合材料的温度载荷

通过有限元计算软件得到金属转筒的计算收缩量，根据金属转筒的实际收缩量，调整施加在缠绕复合材料上的温度载荷，直至金属转筒的计算收缩量与实际收缩量一致。

（ⅵ）观察计算结果

观察实验完成后金属转筒和缠绕复合材料的变形和应力状态。

本发明通能够计算出纤维缠绕金属转筒的变形和应力，为模拟纤维缠绕金属转筒的状态提供了一种实验方法。本发明方法简单，通过调整温度就可以实现不同预应力状态的模拟。

附图说明

图1是本发明中金属转筒的主视图；

图2是本发明中金属转筒与缠绕复合材料的主视图。

其中：

1金属转筒2缠绕复合材料。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

一种模拟产生预应力的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（ⅰ）建立金属转筒1的几何模型

如图1所示，按照实际金属转筒1的几何尺寸建立几何模型，其中转筒壁厚S₁=1~3mm，内直径D=400~800mm，长度L=1500~3000mm。

（ⅱ）建立缠绕复合材料2的几何模型

如图2所示，按照实际缠绕复合材料2的几何尺寸在金属转筒1外部建立缠绕复合材料2的几何模型，其中缠绕复合材料2的厚度S₂=3~6mm，内直径E与金属转筒1外直径相同，长度与金属转筒1长度相同。

（ⅲ）确定金属转筒1和缠绕复合材料2的物理参数

按照实际定义金属转筒1和缠绕复合材料2的模量、泊松系数、热膨胀系数，所述金属转筒1材料为铝或不锈钢，缠绕复合材料2为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维。

（ⅳ）对缠绕复合材料2施加温度载荷

对缠绕复合材料2施加100℃~150℃温度载荷，根据热胀冷缩原理，使缠绕的缠绕复合材料2收缩，对金属转筒1产生压力。

（ⅴ）调整缠绕复合材料2的温度载荷

通过有限元计算软件得到金属转筒1的计算收缩量，根据金属转筒1的实际收缩量，调整施加在缠绕复合材料2上的温度载荷，直至金属转筒1的计算收缩量与实际收缩量一致。

（ⅵ）观察计算结果

观察实验完成后金属转筒1和缠绕复合材料2的变形和应力状态。

实施例1

以下，金属转筒1以铝转筒为例，缠绕复合材料2以玻璃纤维为例。

（ⅰ）建立铝转筒的几何模型

如图1所示，按照实际铝转筒的几何尺寸建立几何模型，其中转筒壁厚S₁=2mm，内直径D=500mm，长度L=2000mm。

（ⅱ）建立玻璃纤维的几何模型

如图2所示，按照实际玻璃纤维的几何尺寸在铝转筒外部建立玻璃纤维的几何模型，其中玻璃纤维的厚度S₂=4mm，内直径E与铝转筒外直径相同，长度与铝转筒长度相同。

（ⅲ）确定铝转筒和玻璃纤维的物理参数

按照实际定义铝转筒和玻璃纤维的模量、泊松系数、热膨胀系数，铝的模量为70GPa，泊松系数为0.33；玻璃纤维的纵向模量为70GPa，纵向泊松系数为0.3，横向模量为10GPa，纵向热膨胀系数为-0.000038。

（ⅳ）对玻璃纤维施加温度载荷

对玻璃纤维施加100℃温度载荷，根据热胀冷缩原理，使缠绕的玻璃纤维收缩，对铝转筒产生压力。

（ⅴ）调整玻璃纤维的温度载荷

通过有限元计算软件得到铝转筒的计算收缩量，根据铝转筒的实际收缩量，铝转筒的计算直径收缩量为0.5mm，铝转筒的实际收缩量为1mm，调整施加在玻璃纤维上的温度载荷，直至铝转筒的计算直径收缩量为1mm。

（ⅵ）观察计算结果

观察实验完成后铝转筒和玻璃纤维的应力状态，铝转筒的环向应力为140MPa，复合材料2的环向应力为70MPa。

Claims

1.一种模拟产生预应力的方法，其特征在于：包括如下步骤：

（ⅰ）建立金属转筒（1）的几何模型

按照实际金属转筒（1）的几何尺寸建立几何模型，其中转筒壁厚S₁=1~3mm，内直径D=400~800mm，长度L=1500~3000mm；

（ⅱ）建立缠绕复合材料（2）的几何模型

按照实际缠绕复合材料（2）的几何尺寸在金属转筒（1）外部建立缠绕复合材料（2）的几何模型，其中缠绕复合材料（2）的厚度S₂=3~6mm，内直径与金属转筒（1）外直径相同，长度与金属转筒（1）长度相同；

（ⅲ）确定金属转筒（1）和缠绕复合材料（2）的物理参数

按照实际定义金属转筒（1）和缠绕复合材料（2）的模量、泊松系数、热膨胀系数，所述金属转筒（1）材料为金属，如铝或不锈钢，缠绕复合材料（2）为碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维；

（ⅳ）对缠绕复合材料（2）施加温度载荷

对缠绕复合材料（2）施加0℃~150℃温度载荷，根据热胀冷缩原理，使缠绕的缠绕复合材料（2）收缩，对金属转筒（1）产生压力；

（ⅴ）调整缠绕复合材料（2）的温度载荷

通过有限元计算软件得到金属转筒（1）的计算收缩量，根据金属转筒（1）的实际收缩量，调整施加在缠绕复合材料（2）上的温度载荷，直至金属转筒（1）的计算收缩量与实际收缩量一致；

（ⅵ）观察计算结果

观察实验完成后金属转筒（1）和缠绕复合材料（2）的变形和应力状态。