CN105260560B - 一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法，包括：选定复合材料管的壁厚，建立该复合材料管三维实体模型；通过ANSYS软件对复合材料管三维实体模型进行网格划分，生成有限元模型；设置复合材料管模型的材料参数、施加边界条件与力载荷；通过ANSYS软件对生成的有限元模型进行有限元计算，生成复合材料管的总变形分布图；根据复合材料管的总变形分布图校核其刚度，判断复合材料管厚度的合理性。本发明利用Solidworks软件建立复合材料管的三维实体模型，利用ANSYS软件将建立的复合材料管三维实体模型生成有限元模型，并完成对复合材料管的壁厚、铺层角度和方式准确分析和设计。
Description
技术领域
本发明涉及复合材料管设计领域，尤其涉及一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法。
背景技术
目前，我国对于复合材料管的设计主要应用工程算法。即根据复合材料管的工作情况，应用厚壁圆筒理论和强度理论，建立复合材料管的弹性强度极限关系式。但是，由这些关系式所确定的复合材料管强度与实际工作时复合材料管的强度有一定差别。另外，对于自紧的复合材料管还存在自紧残余应力以及复合材料在缠绕过程中产生的高温固化残余应力等，这些力的作用极其复杂。因此，以往基于各向同性假设的复合材料管工程计算方法并不能准确地对复合材料管进行计算分析和设计。
发明内容
一、要解决的技术问题
本发明的目的是针对现有技术所存在的上述问题，特提供一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法，利用Solidworks软件建立复合材料管的三维实体模型，利用ANSYS软件将建立的复合材料管三维实体模型生成有限元模型，并完成对复合材料管的壁厚、铺层角度和方式准确分析和设计，以克服工程算法不能准确计算设计复合材料管的现状。
二、技术方案
为解决上述技术问题，本发明提供一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法，所述方法包括：
步骤S1，选定复合材料管的壁厚，建立该复合材料管三维实体模型；
步骤S2，通过ANSYS软件对复合材料管三维实体模型进行网格划分，生成有限元模型；
步骤S3，设置复合材料管模型的材料参数、施加边界条件与力载荷；
步骤S4，通过ANSYS软件对生成的有限元模型进行有限元计算，生成复合材料管的总变形分布图；
步骤S5，根据复合材料管的总变形分布图校核其刚度，判断复合材料管厚度的合理性。
其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述步骤S1中，使用Solidworks软件建立该复合材料管三维实体模型。
其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述步骤S2包括：通过ANSYS软件设定复合材料管三维实体模型的单元类型、网格形状和单元阶次，并确定其网格尺寸，以壁厚与缠绕角为重要几何参数，对复合材料管三维实体模型进行自动分网，生成有限元模型。
其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述复合材料管三维实体模型中复合材料层网格划分使用ANSYS软件中的八节点SOLID46三维层状体单元，该单元每个节点有三个自由度。
其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述复合材料管模型的材料采用E-玻璃纤维与S-玻璃纤维混杂/热塑性聚苯硫醚，该复合材料管模型单向复合材料缠绕等效纵向模量40Gpa。
其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述施加边界条件与力载荷满足：
在复合材料管模型上取三个约束位置，将每个约束位置与坐标原点的距离定义成变量，分别为cons1、cons2、cons3，并将模型外表面处于(cons1,cons1+20)、(cons2,cons2+20)、(cons3,cons3+20)三个区间内节点的Ux、Uy、Uz约束住；将复合材料管模型两端水平固定在支架上，在两支座中间位置对管体悬挂100kg重物，管体的挠度不大于1.5mm。
三、本发明的有益效果
与现有技术相比，本发明的一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法，利用Solidworks软件建立复合材料管的三维实体模型，利用ANSYS软件将建立的复合材料管三维实体模型生成有限元模型，并完成对复合材料管的壁厚、铺层角度和方式准确分析和设计。
在本发明中，使用有限元分析工具可大幅减少以往工程算法过多的简化假设，可以考虑外表面圆锥面、螺纹、槽沟、内表面锥面等实际结构因素，因而与产品实际力学性能吻合更好，同时可有效解决包含各向异性材料复杂结构以及热效应影响问题。另外，在设计进行的同时就能对复合材料管的动态受力性能进行仿真评估，减少不必要的大量全尺寸试样制作，降低设计成本，缩短设计周期，进而确保系统技术方案设计的可行性、先进性。
附图说明
图1为本发明实施例中Solidworks软件建立的复合材料管三维实体模型；
图2为本发明实施例的带沟槽的复合材料管的有限元模型图；
图3为图2的A部放大图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
本发明的优化设计方法可广泛应用于复合材料管的设计中，此方法可大幅减少以往工程算法过多的简化假设，可以考虑外表面圆锥面、螺纹、槽沟、内表面锥面等实际结构因素，因而与产品实际力学性能吻合更好，同时可有效解决包含各向异性材料复杂结构以及热效应影响问题。
本实施例的带沟槽的复合材料管的优化设计方法包括：步骤S1，选定复合材料管的壁厚，建立该复合材料管三维实体模型；步骤S2，通过ANSYS软件对复合材料管三维实体模型进行网格划分，生成有限元模型；步骤S3，设置复合材料管模型的材料参数、施加边界条件与力载荷；步骤S4，通过ANSYS软件对生成的有限元模型进行有限元计算，生成复合材料管的总变形分布图；步骤S5，根据复合材料管的总变形分布图校核其刚度，判断复合材料管厚度的合理性。
下面以某复合材料管为例，结合附图和实施例，对本发明的优化设计方法做出具体说明。
某复合材料管的主要参数：
复合材料管几何尺寸：内径φ1＝120mm×长度3050mm。沟槽几何尺寸为9mm×9mm，沟槽缠角为2°30′，左旋。
复合材料管本体材料：复合材料采用E-玻璃纤维与S-玻璃纤维混杂/热塑性聚苯硫醚(PPS)，复合材料管单向复合材料缠绕等效纵向模量40GPa。
临界设计重量≤14kg。
上述复合材料管主要由管体、沟槽两部分组成，其优化设计方法包括如下步骤：
步骤S1，选定壁厚(以3.5mm为例)，利用Solidworks软件建立如图1所示的复合材料管三维实体模型。
步骤S2，通过ANSYS软件对复合材料管三维实体模型进行网格划分，生成有限元模型。
具体地，分别对选定壁厚的复合材料管，以30°、15°、10°、5°、2.5°缠绕角，建立复合材料管有限元模型。
由于复合材料管并不复杂，可以将其简化成壳体，也可按照实体处理，但是由于本模型沟槽中倒角的存在，使单元的选择受到限制，使用壳单元时，当离散后的单元厚度t与壳体的最小曲率半径r的比大于1/5时，单元发生畸变，因此选择层合实体单元。ANSYS软件中有solid46和solid191两种层合实体单元可供选择，由于solid46单元为8节点，而solid191单元为20节点，后者的计算量是前者的2.5倍，在采用映射或扫掠方式划分单元格时，通常得到的都是规则的四边形或六面体网格，使用solid191单元并不会明显提高计算精度，因此本模型复合材料管中复合材料层网格划分使用ANSYS软件中的八节点SOLID46三维层状体单元，该单元每个节点有三个自由度。
网格划分的密度影响计算结果的精度和计算规模，在确定网格数量时应权衡这两个因素。网格划分的疏密程度还受结构几何特征的影响，对于复合材料管的沟槽部分，结构相对复杂，容易出现应力集中，此时网格划分应相对较密。对复合材料管选择单元类型、网格形状和单元阶次，并确定网格尺寸，以壁厚与缠绕角为重要几何参数，对复合材料管结构进行自动分网。
有限元网格划分后模型单元总数为16000个。划分后的复合材料管有限元模型见图2～图3。
步骤S3，设置复合材料管模型的材料参数、施加边界条件与力载荷。
本步骤中，复合材料采用E-玻璃纤维与S-玻璃纤维混杂/热塑性聚苯硫醚(PPS)，复合材料管单向复合材料缠绕等效纵向模量40Gpa。为保证计算结果与实际相符合，因此对复合材料管模型的约束与实际结构一致，共取三个约束位置，每个约束的宽度约为20mm。为研究约束位置的变化对复合材料管的影响，将每个约束位置与坐标原点的距离定义成变量，分别为cons1、cons2、cons3，并将模型外表面处于(cons1,cons1+20)、(cons2,cons2+20)、(cons3,cons3+20)三个区间内节点的Ux、Uy、Uz约束住。
本步骤中，载荷条件满足：使用专用工装，复合材料管两端水平固定在支架上，在两支座中间位置对管体悬挂100kg重物，管体的挠度应不大于1.5mm。
步骤S4，通过ANSYS软件对生成的有限元模型进行有限元计算，生成复合材料管的总变形分布图。
利用ANSYS软件的workbench环境进行有限元计算，获得复合材料管的应力和总变形分布图(表)。
本实施例中对3.5mm壁厚，30°、15°、10°、5°、2.5°缠绕角，纵向模量40Gpa的带沟槽的复合材料管刚度进行有限元计算，计算结果见表1。
表1单向复合材料纵向模量40GPa带沟槽复合材料管计算变形结果
步骤S5，根据复合材料管的总变形分布图校核其刚度，判断复合材料管厚度的合理性。
在本步骤中，应用复合材料破坏准则，评价复合材料管结构的安全性，校核其是否满足设计的刚度要求。分析复合材料管壁厚的合理性，若壁厚选定不合理，则重新选定厚度进行有限元计算分析，直至优化出复合材料层合理的缠绕角及合理的复合材料层厚。
对表1中计算数据分析，根据管体挠度不大于1.5mm的设计目标得出，15°以上缠绕角的复合材料管最大变形尺寸超出设计标准，需重新设定材料厚度进行循环计算；而15°以下四种角度缠绕，3.5mm壁厚的复合材料管皆符合设计目标。
如上所述，本发明的一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法，利用Solidworks软件建立复合材料管的三维实体模型，利用ANSYS软件将建立的复合材料管三维实体模型生成有限元模型，并完成对复合材料管的壁厚、铺层角度和方式准确分析和设计。
在本发明中，使用有限元分析工具可大幅减少以往工程算法过多的简化假设，可以考虑外表面圆锥面、螺纹、槽沟、内表面锥面等实际结构因素，因而与产品实际力学性能吻合更好，同时可有效解决包含各向异性材料复杂结构以及热效应影响问题。另外，在设计进行的同时就能对复合材料管的动态受力性能进行仿真评估，减少不必要的大量全尺寸试样制作，降低设计成本，缩短设计周期，进而确保系统技术方案设计的可行性、先进性。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，选定复合材料管的壁厚，建立该复合材料管三维实体模型；
步骤S2，通过ANSYS软件对复合材料管三维实体模型进行网格划分，生成有限元模型；
步骤S3，设置复合材料管模型的材料参数、施加边界条件与力载荷；
步骤S4，通过ANSYS软件对生成的有限元模型进行有限元计算，生成复合材料管的总变形分布图；
步骤S5，根据复合材料管的总变形分布图校核其刚度，判断复合材料管厚度的合理性；
所述步骤S2包括：通过ANSYS软件设定复合材料管三维实体模型的单元类型、网格形状和单元阶次，并确定其网格尺寸，以壁厚与缠绕角为重要几何参数，对复合材料管三维实体模型进行自动分网，生成有限元模型；
所述复合材料管三维实体模型中复合材料层网格划分使用ANSYS软件，该单元每个节点有三个自由度；ANSYS软件中有solid46和solid191两种层合实体单元可供选择，由于solid46单元为8节点，solid191单元为20节点；
所述施加边界条件与力载荷满足：
在复合材料管模型上取三个约束位置，将每个约束位置与坐标原点的距离定义成变量，分别为cons1、cons2、cons3，并将模型外表面处于(cons1,cons1+20)、(cons2,cons2+20)、(cons3,cons3+20)三个区间内节点的Ux、Uy、Uz约束住；将复合材料管模型两端水平固定在支架上，在两支座中间位置对管体悬挂100kg重物，管体的挠度不大于1.5mm。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，使用Solidworks软件建立该复合材料管三维实体模型。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述复合材料管模型的材料采用E-玻璃纤维与S-玻璃纤维混杂/热塑性聚苯硫醚，该复合材料管模型单向复合材料缠绕等效纵向模量40Gpa。
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