閔 蕾

(西安思源學院 西安 710038)

纖維纏繞復合材料彎管的強度分析

閔 蕾

(西安思源學院 西安 710038)

本文利用ANSYS有限元分析軟件以及MATLAB數(shù)據(jù)處理工具對纖維纏繞復合材料彎管強度進行了分析，并進一步利用蔡-吳張量強度準則預測出該彎管的承壓能力，證明了利用ANSYS有限元軟件對于不等厚度以及不等角度鋪層復合材料結構分析的可操作性。為后續(xù)彎管的進一步研究奠定了一定的基礎。

復合材料彎管；強度分析；有限元

1 引言

復合材料以良好的性能應用于各個行業(yè)。對于復合材料的形成，有多種方式。目前較為廣泛應用的是纖維纏繞工藝技術。纖維纏繞技術對于芯摸的要求較高，對于軸對稱部件，比如圓管軸承，其纏繞線型較為簡單。但對于像彎管這種拓撲結構較為復雜，具有負高斯曲面的部件，從其纏繞線型上分析就較為復雜。對于成形的部件其強度的分析以前較多采用的是層合板理論，并利用數(shù)值計算的方式分析。雖能解決問題，但是因數(shù)據(jù)龐大而不能直觀反應強度的分布情況。例如Onder[1]等利用有限元和實驗的方法來研究溫度以及纏繞角度對壓力容器的影響。本文將利用ANSYS有限元分析軟件來分析不等厚度以及不等角度鋪層的纖維纏繞復合材料彎管的強度分布情況，并進一步利用蔡-吳張量強度準則預測該彎管的承壓能力。從而證明了利用ANSYS有限元軟件對于不等厚度以及不等角度鋪層復合材料結構分析的可操作性。為后續(xù)進一步研究奠定了一定的基礎。

2 彎管強度分析

本文針對芯模形狀為90°的直角纖維纏繞復合材料彎管采用樹脂基碳纖維T300/5208進行仿真分析，材料常數(shù)如表 1所示。彎管芯模結構的尺寸：內徑為315mm，圓環(huán)段的曲率半徑為457.5mm，直管段長度為150mm。

表1 T300/5208材料常數(shù)

視彎管為層合板結構，即每一個單元相當一個層合板[2]。對于彎管復合材料結構采用shell99單元，采用映射法進行單元劃分。給彎管兩端施加固定約束，并給彎管施加0.4MPa的內壓。

圖1 彎管有限元網格

仿真計算出的纖維纏繞彎管的軸向應力和環(huán)向應力分布圖分別如圖 2和圖 3所示：

圖2 彎管軸向應力分布

圖3 彎管周向應力分布圖

由圖2可知，在彎管最大曲率處有最大軸向應力，其值為25.9MPa；并且軸向應力沿彎管由中心向兩端逐漸減小。從圖 3可以看出，彎管最大的周向應力為56.8MPa，最小的周向應力為6.42 MPa，均位于彎管與直管相連接處附近。

3.強度校核及最大荷載預測

利用蔡-吳張量強度準則，對已所求結構的最外一層進行判據(jù)計算，計算結果表示該彎管在0.4MPa的內壓作用下，滿足強度要求，處于安全狀態(tài)。

現(xiàn)對該彎管所能承受的最大荷載進行預測。其方法如下：基于彈性結構假設，給彎管的內表面上施加任一大小的內壓載荷，利用ANSYS有限元軟件對其進行應力分析，通過計算給出蔡-吳判據(jù)值較大的幾個節(jié)點的蔡-吳判據(jù)值。在前一級所施加的載荷的基礎上，再給彎管施加一任意大小的載荷增量，再對彎管結構進行應力分析計算，也通過計算給出相應的幾個節(jié)點的蔡-吳判據(jù)值。利用節(jié)點應力與所施加荷載的線性相關的性質，即可以預測出結構的破壞載荷。

根據(jù)破壞荷載的預測方法，給彎管在 0.4MPa內壓作用的基礎上，再施加0.1MPa的內壓。計算對應幾個節(jié)點的蔡-吳判據(jù)值如表1所示。

表2 節(jié)點蔡-吳判據(jù)值

這4個節(jié)點判據(jù)值的平均值為：0.84176142。由蔡-吳張量強度準則的定義可以知道，當判據(jù)值等于1時，結構處于臨界破壞狀態(tài)，可以預測出纖維纏繞彎管的臨界破壞荷載為0.59MPa。

4.結論

本文通過利用有限元軟件結合MATLAB數(shù)據(jù)處理軟件，很好的解決了因鋪層角度和和鋪層厚度隨坐標變化而難以建模的問題。同時通過利用蔡-吳張量強度準則進一步預測出該彎管的最大承載能力，為后續(xù)解決該類問題提供了相應的參考依據(jù)。

[1] Onder A, Sayman O, Dogan T, Tarakcioglu N.Burst failure load of composite pressure vessels[J]. Composite Structures ,2009:59–166.

[2]陳建橋.復合材料力學概論[M].北京:科學出版社,2006.

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1007-6344（2016）03-0273-02

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