韓新宇
摘 ? 要:復合材料是人們運用先進的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。由于其優(yōu)異的性能,廣泛應用于國防工業(yè)、航空航天、精密制造、電子芯片等高技術(shù)行業(yè)。復合材料涂層是作為承力結(jié)構(gòu)使用的一種特殊復合材料。復合材料的各向異性和非線性特性使得傳統(tǒng)方法對材料的模擬和評估十分困難。本文依托某儲罐腐蝕修復項目,利用非線性有限元技術(shù),建立了復合材料涂層理論和數(shù)值模型,完成了涂層修復結(jié)構(gòu)的安全裕度和極限強度。目前該項目運行平穩(wěn),相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)具有領(lǐng)先水平。
關(guān)鍵詞:復合材料 ?儲罐修復 ?非線性有限元 ?數(shù)值模擬 ?安全裕度 ?極限強度
中圖分類號:TE973 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼:A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號:1674-098X(2019)08(a)-0103-02
復合材料是由一種以上具有不同性質(zhì)的材料構(gòu)成的,其主要優(yōu)點是具有優(yōu)異的材料性能。復合材料具有比強度大、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性以及材料性能可設計的特點。復合材料可用于飛機機翼、尾翼,發(fā)動機機匣、葉片等結(jié)構(gòu)設計,也是用于壓力容器、風力發(fā)電葉片等民用結(jié)構(gòu)的先進材料。
1 ?薄壁復合材料的剛度和柔度矩陣
2 ?有限元復合材料分析技術(shù)
在經(jīng)典的有限元程序中,復合材料可以使用各向異性單元來模擬,此外還有專門的分層單元(Layer Element)來模擬層和結(jié)構(gòu)的復合材料。
ANSYS Composite PrepPost(ACP)是集成于ANSYS Workbench環(huán)境的全新的復合材料前/后處理模塊??梢耘cANSYS其它模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接,在處理層壓復合材料結(jié)構(gòu)方面具有強大的功能。ACP具有強大的結(jié)果后處理,可獲得各種分析結(jié)果如層間應力、應力、應變、最危險的失效區(qū)域等,還能夠?qū)崿F(xiàn)多方案的分析對比等。
ACP提供了豐富的復合材料失效分析方法和準則。
(1)計算每一層的危險系數(shù)(IRF),安全系數(shù)(RF)和安全范圍(MOS);
(2)失效模式任意組合;
(3)最大應力準則,最大應變準則,Tsai-Hill準則,Tsai-Wu準則,Hashin準則,LaRC準則和Cuntze準則;
(4)二維和三維的UD和編織材料的PUCK準則;
(5)三明治結(jié)構(gòu)的內(nèi)核失效和面板折皺失效。
(6)多工況組合
3 ?項目背景
某平臺上鋼質(zhì)撇油器和浮選器各三臺,由于防腐措施不當,造成局部地方腐蝕,壁厚由22mm降到3.7~4.8mm左右。因此制定加強修復方案:在腐蝕區(qū)域外表面刷貝爾佐納1111涂漆,烘干后形成具有一定厚度和強度的粘結(jié)層,共同參與罐壁承載,增加罐壁強度。貝爾佐納1111,雙組分糊劑級涂層系統(tǒng),以硅鋼合金為基礎,混合有高分子量反應性聚合物和低聚物。固化后可完全機械加工。該涂層為非金屬高分子復合材料,與鋼鐵有較大區(qū)別,能夠保證修復結(jié)構(gòu)的剩余強度和使用壽命。涂層材料力學性能數(shù)據(jù)由廠家提供。
4 ?有限元建模和計算
4.1 建模和基本假定
建立儲罐模型基本方法:對于非涂層罐壁處,采用鋼的本構(gòu)關(guān)系和材料屬性,并扣除腐蝕厚度。對于涂層加強區(qū)域,假定涂層與鋼質(zhì)罐壁緊密粘合,無相對滑移,共同參與變形,可將其等效為成層復合材料,利用ANSYS的分層單元(Layer Element)來模擬,分別賦予鋼材和涂層的材料屬性。儲罐為壓力容器結(jié)構(gòu),鋼質(zhì)罐壁可能發(fā)生屈服失效。涂層材料極限拉壓強度失效。
經(jīng)過初步評估,篩選出儲罐最危險的兩個區(qū)域(壁厚最薄和面積最大)并模擬,同時儲罐承受0.143 MPa操作壓力,并在支座處約束。
4.2 軟件計算結(jié)果
軟件計算結(jié)果包括位移和應力,最大位移為1.2494mm,應力結(jié)果匯總?cè)绫?所示。
校核UC值匯總?cè)绫?。
4.3 手工校核結(jié)果
對于軟件無法校核的涂層粘結(jié)應力校核,則采用手工校核。結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)強度和涂層粘結(jié)強度滿足要求,如表3所示。
5 ?結(jié)語
本項目的成功實施證明了有限元分析結(jié)果的合理和正確性,基于目前條件下的基礎數(shù)據(jù)和假定條件,通過對儲罐和涂層有限元模擬,分析結(jié)構(gòu)強度和粘結(jié)強度,可以得到如下幾條結(jié)論:
(1)在目前狀態(tài)下,儲罐和涂層有足夠的強度承受0.143MPa的操作壓力。
(2)在目前狀態(tài)下,如果腐蝕區(qū)域內(nèi)鋼制罐壁失效,儲罐和涂層仍有足夠的強度和粘結(jié)力承受0.143MPa的操作壓力。
(3)在目前狀態(tài)下,如果腐蝕區(qū)域內(nèi)鋼制罐壁失效,腐蝕區(qū)域會出現(xiàn)較大變形(最大約25.156mm),可能會影響儲罐的正常使用狀態(tài)。
同時結(jié)合分析結(jié)論,給出以下幾條使用建議。
(4)嚴格控制儲罐操作壓力在0.143MPa下,而不是原設計壓力下。
(5)涂層半徑建議超過腐蝕半徑200mm及以上,厚度超過原壁厚5mm及以上。
(6)做好日常使用監(jiān)測和定期腐蝕厚度、涂層狀態(tài)等檢測,及時反映儲罐運行狀態(tài)。
(7)做好剩余壽命評估工作,保證儲罐在使用期內(nèi)有足夠的剩余壽命。
目前國內(nèi)針對高分子復合材料涂層修復效果評估技術(shù)研究較少,應用也較少,希望本文的研究成果能夠為國內(nèi)高分子復合材料涂層修復效果評估提供借鑒意義。
參考文獻
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