CN109543335B - 一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法 - Google Patents

一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及复合材料筒体设计领域，特别涉及一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法。其包括以下步骤：a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力；f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数。本发明的目的在于提供一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，以解决现有的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法计算成本大、设计不准确的问题。

Description

一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法
技术领域
本发明涉及复合材料筒体设计领域，特别涉及一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法。
背景技术
具有轻质高强、可设计性、耐腐蚀等特点的碳纤维复合材料应用于深海滑翔机外压筒体时，与金属材料外压筒体相比可提供更多的有效载荷延长深海滑翔机的服役周期。对于静水压力作用下的外压筒体现已有多种设计方法，如GB150，潜艇设计规范，ASME-X等均提供了相应的理论设计方法，但均只适用于径厚比大于20的薄壁容器，随着下潜深度的增加为保证结构的可靠服役需要相应地增加壁厚导致原设计方案不再适用。虽然基于经典层合理论的有限元方法可用于深海滑翔机碳纤维复合材料外压筒体的设计，但在铺层设计时通常无法考虑铺层顺序对筒体结构承载能力的影响，需要通过多次计算迭代比较筒体结构的承载安全裕度以确定近似最优方案，既无法充分发挥复合材料的承载潜力又耗费了大量的计算成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，以解决现有的耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法计算成本大、设计不准确的问题。
本发明的目的是由下述技术方案实现的：
一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其包括以下步骤：
a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；
b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；
c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；
d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；
e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；
f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；
g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计。
进一步的，步骤a中，所述结构尺寸参数包括：筒体长度、筒体内径、筒体外径、筒体厚度、最大允许重量。
进一步的，步骤a中，所述材料性能参数包括：纤维方向弹性模量、纤维横向弹性模量、面内泊松比、副泊松比、面内剪切模量、纤维方向拉伸强度、纤维方向压缩强度、纤维横向拉伸强度、纤维横向压缩强度、面内剪切强度、单层厚度。
进一步的，步骤b中，所述缠绕角度通过如下方式确定：所述所设计筒体的外侧和内侧的所述铺层的所述缠绕角度为60°～89°，中间的所述铺层的所述缠绕角度为30°～50°。
进一步的，步骤c中，所述等效性能参数包括：环向模量、轴向模量，泊松比、环向弯曲模量、轴向弯曲模量。
进一步的，步骤c中，根据下列公式计算所述等效性能参数：
Figure BDA0001889585060000021
Figure BDA0001889585060000031
Figure BDA0001889585060000032
Figure BDA0001889585060000033
Q66＝G12
Figure BDA0001889585060000034
Figure BDA0001889585060000035
Figure BDA0001889585060000036
Figure BDA0001889585060000037
Figure BDA0001889585060000038
Figure BDA0001889585060000039
Figure BDA00018895850600000310
Figure BDA00018895850600000311
Figure BDA00018895850600000312
Figure BDA00018895850600000313
Figure BDA00018895850600000314
Figure BDA00018895850600000315
Figure BDA00018895850600000316
Figure BDA00018895850600000317
其中：ν12表示面内泊松比；ν21表示副泊松比；E1表示纤维方向弹性模量；E2表示纤维横向弹性模量；G12表示面内剪切模量；θ表示缠绕角度；N表示总的铺层数；k表示当前铺层序号；Z表示当前铺层的厚度坐标；i，j表示自然数，分别取1，2，6；t表示筒体厚度；Eh表示环向模量；Ea表示轴向模量；νah表示泊松比；Ehf表示环向弯曲模量；Eaf表示轴向弯曲模量。
进一步的，步骤d中，根据下列公式计算所述外压临界压力：
Figure BDA0001889585060000041
Figure BDA0001889585060000042
Figure BDA0001889585060000043
Figure BDA0001889585060000044
Figure BDA0001889585060000045
C21＝C12
C31＝C13
C32＝C23
Figure BDA0001889585060000046
Figure BDA0001889585060000047
Figure BDA0001889585060000048
Figure BDA0001889585060000049
其中：Pcr表示外压临界压力；m表示所述所设计筒体的轴向失稳时的半波数，取1；n表示所述所设计筒体环向失稳时的半波数取3；R表示所述所设计筒体的外半径；F表示设计的安全系数；L表示筒体长度。
进一步的，步骤f中，所述内部应力参数包括：径向应力，环向应力和轴向应力。
进一步的，步骤f中，根据下列公式计算所述设计筒体的所述内部应力参数：
Figure BDA0001889585060000051
Figure BDA0001889585060000052
Figure BDA0001889585060000053
其中:a表示所述所设计筒体的外半径；b表示所述所设计筒体的外半径；r为所述所设计筒体的坐标；σr表示径向应力；σh表示环向应力；σz表示轴向应力；Pw表示工作压力。
进一步的，步骤g中，按照如下方式判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数：判断环向应力是否小于纤维方向压缩应力；和/或，判断轴向应力是否小于纤维横向方向的压缩强度。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
1.本发明所述耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其包括以下步骤：a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度； c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；本发明通过基本材料、筒体结构参数和铺层角度顺序即可实现筒体承载能力的快速核算，避免了有限元、差分法等数值方法繁琐的建模、求解、后处理等分析流程，有效缩短了设计周期；此外，该解析方法并非简单的材料属性等效，通过A、B、D阵考虑了铺层顺序对其面内弹性模量、弯曲弹性模量、铺层耦合效应和泊松效应的影响，比较真实地反映出了碳纤维复合材料在深海滑翔机外压筒体中的结构响应，修正了传统解析方法仅考虑面内弹性模量的引起的结果误差。
附图说明
图1为本发明所述耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
参见图1，一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其包括以下步骤：
a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；
b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度；
c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数；
d、计算所述所设计筒体的外压临界压力；
e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；工作压力表示所设计筒体应用时的工作压力；
f、计算所述所设计筒体的内部应力参数；
g、判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计。
本发明通过基本材料、筒体结构参数和铺层角度顺序即可实现筒体承载能力的快速核算，避免了有限元、差分法等数值方法繁琐的建模、求解、后处理等分析流程，有效缩短了设计周期；此外，该解析方法并非简单的材料属性等效，通过A、B、D阵考虑了铺层顺序对其面内弹性模量、弯曲弹性模量、铺层耦合效应和泊松效应的影响，比较真实地反映出了碳纤维复合材料在深海滑翔机外压筒体中的结构响应，修正了传统解析方法仅考虑面内弹性模量的引起的结果误差。
参见图1，本发明步骤a中，所述结构尺寸参数包括：筒体长度、筒体内径、筒体外径、筒体厚度、最大允许重量。
参见图1，本发明步骤a中，所述材料性能参数包括：纤维方向弹性模量、纤维横向弹性模量、面内泊松比、副泊松比、面内剪切模量、纤维方向拉伸强度、纤维方向压缩强度、纤维横向拉伸强度、纤维横向压缩强度、面内剪切强度、单层厚度。
参见图1，本发明步骤b中，所述缠绕角度通过如下方式确定：所述所设计筒体的外侧和内侧的所述铺层的所述缠绕角度为60°～89°，中间的所述铺层的所述缠绕角度为30°～50°。
参见图1，本发明步骤c中，所述等效性能参数包括：环向模量、轴向模量，泊松比、环向弯曲模量、轴向弯曲模量。
参见图1，本发明步骤c中，根据下列公式计算所述等效性能参数：
Figure BDA0001889585060000081
Figure BDA0001889585060000082
Figure BDA0001889585060000083
Figure BDA0001889585060000084
Q66＝G12
Figure BDA0001889585060000085
Figure BDA0001889585060000086
Figure BDA0001889585060000087
Figure BDA0001889585060000088
Figure BDA0001889585060000089
Figure BDA00018895850600000810
Figure BDA00018895850600000811
Figure BDA00018895850600000812
Figure BDA00018895850600000813
Figure BDA00018895850600000814
Figure BDA00018895850600000815
Figure BDA0001889585060000091
Figure BDA0001889585060000092
Figure BDA0001889585060000093
其中：ν12表示面内泊松比；ν21表示副泊松比；E1表示纤维方向弹性模量； E2表示纤维横向弹性模量；G12表示面内剪切模量；θ表示缠绕角度；N表示总的铺层数；k表示当前铺层序号；Z表示当前铺层的厚度坐标；i，j表示自然数，分别取1，2，6；t表示筒体厚度；Eh表示环向模量；Ea表示轴向模量；νah表示泊松比；Ehf表示环向弯曲模量；Eaf表示轴向弯曲模量。
参见图1，本发明步骤d中，根据下列公式计算所述外压临界压力：
Figure BDA0001889585060000094
Figure BDA0001889585060000095
Figure BDA0001889585060000096
Figure BDA0001889585060000097
Figure BDA0001889585060000098
C21＝C12
C31＝C13
C32＝C23
Figure BDA0001889585060000099
Figure BDA00018895850600000910
Figure BDA0001889585060000101
Figure BDA0001889585060000102
其中：Pcr表示外压临界压力；m表示所述所设计筒体的轴向失稳时的半波数，取1；n表示所述所设计筒体环向失稳时的半波数取3；R表示所述所设计筒体的外半径；F表示设计的安全系数；L表示筒体长度。
参见图1，本发明步骤f中，所述内部应力参数包括：径向应力，环向应力和轴向应力。
参见图1，本发明步骤f中，根据下列公式计算所述设计筒体的所述内部应力参数：
Figure BDA0001889585060000103
Figure BDA0001889585060000104
Figure BDA0001889585060000105
其中:a表示所述所设计筒体的外半径；b表示所述所设计筒体的外半径；r为所述所设计筒体的坐标；σr表示径向应力；σh表示环向应力；σz表示轴向应力；Pw表示工作压力。
参见图1，本发明步骤g中，按照如下方式判断所述所设计筒体的所述内部应力参数是否小于材料强度参数：判断环向应力是否小于纤维方向压缩应力；和/或，判断轴向应力是否小于纤维横向方向的压缩强度。
实施例1：
设计一耐80MPa外压碳纤维复合材料筒体，其中筒体长度为800mm、内径不小于238mm、壁厚不超过27mm。
拟采用碳纤维复合材料，单层板性能为E1＝120GPa，E2＝7GPa，v12＝0.16， G12＝7GPa，Xt＝1400MPa，Xc＝1050MPa，Yt＝28MPa，Yc＝105MPa，S＝75MPa 密度为1500kg/m3，单层厚度为0.2mm。
对比分析不同铺层角度对层合板弯曲模量的影响，确定出缠绕角度为内外两侧±89°中间±45°的铺层方案。
分析铺层比例确定出35％±89°环向铺层+30％±45°缠绕铺层+35％±89°环向铺层具有最佳弯曲模量。计算25mm厚层合板的等效性能为
Ea＝30.98GPa，Eh＝87.3GPa，vah＝0.18，Eaf＝10.02GPa，Ehf＝117.07GPa，
vahf＝0.16
计算得：A阵为
Figure BDA0001889585060000111
B阵为
Figure BDA0001889585060000112
D阵为
Figure BDA0001889585060000113
计算筒体在80MPa外压作用下的失稳系数不小于1.6，采用excel表格编写出筒体外压失稳计算公式，最终确定出壁厚26mm时失稳系数为2.05，即其失稳压力为164MPa。
校核筒体的强度，依据计算公式确定出最大环向应力为588MPa位于筒体外侧，最大轴向应力和径向应力分别为83.5MPa和80MPa，分别小于所选定碳纤维复合材料的纤维方向压缩强度1050MPa，纤维横向方向压缩强度 105MPa，说明满足强度要求；输出设计结果，即筒体壁厚为26mm，铺层方案为22层±89°+20层±45°+22层±89°。
该发明为基于解析解的纤维增强复合材料筒体设计方法，材料并不仅限于碳纤维，玻璃纤维、芳纶纤维等先进纤维制备的耐压筒体均可采用该设计方法进行设计。为提高计算效率可采用Excel、Matlab、Mathcad等数值分析工具进行编程计算。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种耐外压碳纤维复合材料筒体结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a、确定所设计筒体的结构尺寸参数，确定所述所设计筒体的铺层拟选用碳纤维复合材料的材料性能参数；所述结构尺寸参数包括：筒体长度、筒体内径、筒体外径、筒体厚度、最大允许重量；所述材料性能参数包括：纤维方向弹性模量、纤维横向弹性模量、面内泊松比、副泊松比、面内剪切模量、纤维方向拉伸强度、纤维方向压缩强度、纤维横向拉伸强度、纤维横向压缩强度、面内剪切强度、单层厚度；
b、确定所述碳纤维复合材料的缠绕角度，所述所设计筒体的外侧和内侧的所述铺层的所述缠绕角度为60°～89°，中间的所述铺层的所述缠绕角度为30°～50°；
c、计算所述所设计筒体的所述铺层的等效性能参数，所述等效性能参数包括：环向模量、轴向模量，泊松比、环向弯曲模量、轴向弯曲模量，根据下列公式计算所述等效性能参数：
Figure FDA0003027971270000011
Figure FDA0003027971270000012
Figure FDA0003027971270000013
Figure FDA0003027971270000014
Q66＝G12
Figure FDA0003027971270000015
Figure FDA0003027971270000016
Figure FDA0003027971270000017
Figure FDA0003027971270000018
Figure FDA0003027971270000021
Figure FDA0003027971270000022
Figure FDA0003027971270000023
Figure FDA0003027971270000024
Figure FDA0003027971270000025
Figure FDA0003027971270000026
Figure FDA0003027971270000027
Figure FDA0003027971270000028
Figure FDA0003027971270000029
Figure FDA00030279712700000210
其中：ν12表示面内泊松比；ν21表示副泊松比；E1表示纤维方向弹性模量；E2表示纤维横向弹性模量；G12表示面内剪切模量；θ表示缠绕角度；N表示总的铺层数；k表示当前铺层序号；z表示当前铺层的厚度坐标；i，j表示自然数，分别取1，2，6；t表示筒体厚度；Eh表示环向模量；Ea表示轴向模量；νah表示泊松比；Ehf表示环向弯曲模量；Eaf表示轴向弯曲模量；
d、计算所述所设计筒体的外压临界压力，根据下列公式计算所述外压临界压力：
Figure FDA00030279712700000211
Figure FDA00030279712700000212
Figure FDA0003027971270000031
Figure FDA0003027971270000032
Figure FDA0003027971270000033
Figure FDA0003027971270000034
C21＝C12
C31＝C13
C32＝C23
Figure FDA0003027971270000035
Figure FDA0003027971270000036
Figure FDA0003027971270000037
其中：Pcr表示外压临界压力；m表示所述所设计筒体的轴向失稳时的半波数，取1；n表示所述所设计筒体环向失稳时的半波数，取3；R表示所述所设计筒体的外半径；F表示设计的安全系数；L表示筒体长度；
e、判断计算获得的所述外压临界压力是否大于工作压力，若大于则进行下一步，若不大于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计；
f、计算所述所设计筒体的内部应力参数，所述内部应力参数包括：径向应力，环向应力和轴向应力；
g、判断环向应力是否小于纤维方向压缩应力；或，判断轴向应力是否小于纤维横向方向的压缩强度，若小于则输出设计方案，若不小于则返回步骤b重新调整所述碳纤维复合材料的所述缠绕角度，进行新一轮的结构设计。
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