具有內(nèi)襯纏繞式壓力容器纏繞過程的有限元模擬

1、●研究簡報●具有內(nèi)襯纏繞式壓力容器纏繞過程的有限元模擬ΞFINITEELEMENTSIMULATIONOFTHEWINDINGPROCESSOFBANDWOUNDVESSELSWITHLINER鄭長良ΞΞ1任明法2陳浩然2(1.大連海事大學(xué)機(jī)電材料工程學(xué)院大連116026)(2.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室大連116023)ZHENGChangLiang1RENMingFa2CHENHaan2(1.Electromecha

2、nicsMaterialsEngineeringCollegeDalianMaritimeUniversityDalian116026China)(2.SateKeyLabatyofStructuralAnalysisfIndustrialEquipmentDalianUniversityofTechnologyDalian116023China)摘要根據(jù)具有內(nèi)襯纏繞式壓力容器纏繞過程和有限元分析的特點提出虛—實結(jié)合逐層實化的有限元分析

3、策略模擬其纏繞工藝過程將單元劃分為虛實兩類實單元采用真實的材料常數(shù)虛單元采用很小的剛度使其不影響計算結(jié)果在考慮纏繞新一層纏繞帶時將該層繞帶的單元剛度取為真實剛度即將其“實化”纏繞過程中纏繞帶的纏繞張力采用溫度參數(shù)法控制使其達(dá)到預(yù)定值。該方法簡便、靈活適用于復(fù)雜形狀的容器分析。對圓筒容器的數(shù)值分析結(jié)果表明文中的方法與已有的簡化解析方法相比具有可靠的精度。關(guān)鍵詞有限元分析纏繞容器纏繞過程中圖分類號T333TK229.1TQ051.3TB11

4、5AbstractAfiniteelementanalysisstrategyfsimulatingthewindingprocessofbwoundvesselswithmetallinerisproposedaccdingtotheacteristicsofthewindingprocessfiniteelementmethod.Thefiniteelementsareclassifiedintotwotypes“realeleme

5、nts”“fictitiouselements”.Therealmaterialconstantsareusedf“realelements”.Thefictitiouselementsuseafictitiousstiffnessthatissufficientsmallnottoaffectthecomputationresults.Whenanewlayeriswoundalltheelementsinthewindinglaye

6、rare“realized”byreplacingthesmallfictitiousstiffnessbytherealone.Thetemperatureparameteroftheelementsisemployedtocontrolthewindingtensiontorespectedvalues.Themethodissimpleflexiblesuitablefvesselswithcomplexshapes.Severa

7、ltypicalcyl2indersareanalyzed.Thecomparisonofthenumericalresultswiththoseobtainedbysimplifiedanalyticalmethodsshowsthatthefiniteel2ementmethodproposediscrecteffective.Ithasareliableprecision.KeywdsFiniteelementanalysisBw

8、oundvesselWindingprocessCrespondingauth:ZHENGChangLiangE2mail:zhengcl@newmail.dlmu.edu.cnTel:862411284724253TheprojectsupptedbytheNational863ProjectofChina:Studyonlargesizecompositefilamenthighpressurevessel.Manureceived

9、20041130inrevisedfm20050523.1引言以金屬為內(nèi)襯、以鋼帶或復(fù)合材料作為纏繞帶的纏繞結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用在高壓容器、管道、導(dǎo)彈發(fā)射管、發(fā)動機(jī)機(jī)匣等工程領(lǐng)域。這類具有內(nèi)襯的纏繞結(jié)構(gòu)在制造過程中的力學(xué)行為的分析是一項具有重要工程價值的工作特別是其纏繞工藝過程中力學(xué)分析為許多研究者所關(guān)注[1～5]。具有內(nèi)襯的纏繞壓力容器的纏繞工藝比較復(fù)雜精確地模擬這一過程是極其困難的。為此在以往眾多的研究中都采用簡化的計算方法建立了一些纏繞

10、張力的解析計算公式[67]但這些解析公式僅適用于容器的直筒段不適用于復(fù)雜形狀的容器。為此有的文獻(xiàn)將容器的端部分開加以考慮如文獻(xiàn)[8]提出一種確定端部纖維纏繞張力的有限元方法這樣的處理沒能將容器作為一個整體加以分析顯然也帶有很大的局限性。另外這些工作僅對容器的預(yù)纏繞張力及纏繞結(jié)束后容器內(nèi)部的應(yīng)力進(jìn)行預(yù)測而實際纏繞過程中的情況沒有加以考慮。為了能夠較為全面地分析這類壓力容器的纏繞工藝過程及纏繞后的殘余應(yīng)力和變形情況有限元法具有不可替代的普適

11、性。由于纏繞過程中結(jié)構(gòu)的幾何尺寸和剛度不斷地發(fā)生變化直接應(yīng)用有限元法模擬是非常困難的。本文根據(jù)JournalofMechanicalStrength200628(6):913～918ΞΞΞ鄭長良男1963年4月生遼寧本溪市人漢族。大連海事大學(xué)機(jī)電材料工程學(xué)院教授博士生導(dǎo)師博士研究方向為計算力學(xué)。20041130收到初稿20050523收到修改稿。國家863項目“大尺寸復(fù)合材料高壓氣瓶研究”資助。?19942007ChinaAcademi

12、cJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.www.bzfxw.com纏繞層的E和ν給一很小的數(shù)ε(109)修改該層溫度降ΔΦ(i)當(dāng)?shù)趇層的熱應(yīng)力達(dá)到纏繞應(yīng)力σ3(i)時記錄當(dāng)前的計算結(jié)果開始對第i1層進(jìn)行相同的計算直到N層全部結(jié)束。對于具有纏繞角的情況特別是對于彎頭部分交錯式纏繞方式[θΠθ]n是不可避免的?？蓪⒕€膨脹系數(shù)取為正交各向異性α1、α2考慮到纏繞過程中主方向應(yīng)力

13、σ1較大σ2可以忽略。調(diào)整α1、α2值的大小能夠容易地使熱應(yīng)力在主方向等于纏繞張力σT。對于復(fù)合材料纖維纏繞的情況若一層層加以考慮由于材料為各向異性將不再是一個軸對稱問題這將使分析變得復(fù)雜但考慮到實際上一般都是交錯纏繞若將交錯兩層看作一層加以考慮顯然此時這層就變成了正交橫觀各向同性材料此時容器仍可看作軸對稱問題加以分析將使分析大大簡化。其計算流程圖見圖2。4實例計算為了驗證本文方法的正確性和有效性分析如下兩個圓柱形容器。4.1算例1低應(yīng)

14、力內(nèi)筒、鋼帶纏繞壓力容器考慮文獻(xiàn)[6]中以鋼帶為纏繞帶的圓柱形容器其參數(shù)為容器內(nèi)半徑Ri=250mm內(nèi)筒厚度Sn=16mm鋼帶規(guī)格為4mm80mm繞帶層厚度Sd=48mm內(nèi)筒外半徑Rj=266mm繞帶層外半徑Ro=314mm內(nèi)筒徑比K1=1.064繞帶層徑比K2=1.180壓力容器徑比K=1.256內(nèi)筒材料屈服強(qiáng)度σns=225MPa鋼帶材料屈服強(qiáng)度σds=324MPa不失一般性本文中取鋼帶纏繞角為25。內(nèi)筒和鋼帶的材料參數(shù)為E0=Ef

15、=21011ν=0.3α=1.2105。對于M層纏繞層的鋼帶纏繞容器文獻(xiàn)[6]給出如下幾個基于Lame公式的應(yīng)力計算公式。纏繞完畢后第k層鋼帶的徑向應(yīng)力σgdr=r2R2i2r2(σT0)kcos2αklnR2k1R2ir2R2i∑Mm=k1(σT0)mcos2αmlnR2m1R2iR2mR2i(7)第k層鋼帶的環(huán)向應(yīng)力σgdθ=(σT0)kcos2αkr2R2i2r2(σT0)kcos2αklnR2k1R2ir2R2i∑Mm=k1(σ

16、T0)mcos2αmlnR2m1R2iR2mR2i(8)圖2溫度參數(shù)法程序流程圖Fig.2Flowtofcomputation式中r為所需要計算應(yīng)力處的半徑Ri為容器內(nèi)半徑Ro為繞帶層外半徑σT0為纏繞時帶長方向的纏繞張力α為纏繞帶長方向和容器軸心之間的夾角。由內(nèi)筒外表面因鋼帶纏繞而產(chǎn)生的徑向背壓為Pgj=R2jR2i2R2j∑Mm=1(σT0)cos2αmlnR2m1R2iR2mR2i(9)式中Rj為內(nèi)筒的外徑。纏繞完畢后內(nèi)筒因鋼帶纏