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        復(fù)合材料發(fā)射筒內(nèi)壓工況下強(qiáng)度剛度仿真

        2020-10-31 04:20:26王向往郭敬彬吳友生
        艦船科學(xué)技術(shù) 2020年9期
        關(guān)鍵詞:示意圖碳纖維復(fù)合材料

        劉 東,王向往,郭敬彬,吳友生

        (1. 中國(guó)船舶集團(tuán)公司第七一三研究所,河南 鄭州, 450015;2. 河南省水下智能裝備重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,河南 鄭州, 450015)

        0 引 言

        發(fā)射筒為導(dǎo)彈提供裝填貯存、發(fā)射導(dǎo)向及支撐保溫等作用,是導(dǎo)彈武器系統(tǒng)的重要組成部分。發(fā)射筒是一種典型的圓柱殼結(jié)構(gòu),圓柱殼結(jié)構(gòu)是船舶、飛機(jī)、壓力容器和管道的基本結(jié)構(gòu),在船舶、航空航天、化學(xué)工業(yè)中都有廣泛應(yīng)用,其性能一直以來(lái)被眾多學(xué)者和設(shè)計(jì)者所關(guān)注,出現(xiàn)了諸多研究成果[1-4]。

        目前,發(fā)射筒的制造中仍大量使用金屬材料,如特種鋼材、高強(qiáng)度鋁合金等。金屬材料具有材料性質(zhì)穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn),但同時(shí)有密度大的缺點(diǎn)。在武器系統(tǒng)輕量化的發(fā)展方向下,非金屬材料中的碳纖維復(fù)合材料

        具有作為發(fā)射筒制造材料的潛力。碳纖維復(fù)合材料具有密度小、強(qiáng)度高及材料可設(shè)計(jì)性等優(yōu)點(diǎn)[4],因此碳纖維復(fù)合材料發(fā)射筒的研究分析對(duì)輕量化發(fā)射筒方案的設(shè)計(jì)具有重要意義。

        1 仿真模型

        1.1 物理模型

        物理模型如圖1和圖2所示,幾何模型包括發(fā)射筒筒壁、連接法蘭及加強(qiáng)筋等結(jié)構(gòu),2種模型幾何尺度相同。發(fā)射筒工作過(guò)程中,承受高壓氣體的沖刷,在此過(guò)程中發(fā)射筒需滿足結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度的要求,以保證發(fā)射筒本身的結(jié)構(gòu)安全及其導(dǎo)向作用。因此了解

        結(jié)構(gòu)承受內(nèi)壓下的結(jié)構(gòu)變形及應(yīng)力十分重要,根據(jù)碳纖維復(fù)合材料與高強(qiáng)度鋁合金的材料特性,建立分別使用2種材料的發(fā)射筒有限元數(shù)值仿真模型,對(duì)結(jié)構(gòu)承受內(nèi)壓工況進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。

        圖1 鋁合金發(fā)射筒幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of the aluminum alloy launch tube

        圖2 復(fù)合材料發(fā)射筒幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 2 Schematic diagram of the carbon fiber composite launch tube

        1.2 仿真理論

        對(duì)于碳纖維復(fù)合材料及剛強(qiáng)度鋁合金材料,其剛度矩陣[5]為:

        式中:E1,E2,E3分別為x,y,z方向上的彈性模量;vij為應(yīng)力在i方向上作用時(shí)j方向的橫向應(yīng)變的泊松比;G23,G31,G12為y-z,z-x,x-y平面的剪切應(yīng)變。

        本文采用Tsai-Hill理論作為復(fù)合材料的失效理論,其是一個(gè)綜合型屈服準(zhǔn)則[5]:

        在彈性范圍內(nèi),可以作為各向異性材料的強(qiáng)度準(zhǔn)則,屈服強(qiáng)度F,G,H,L,M,N可以認(rèn)為是破壞強(qiáng)度,Tsai-Hill理論實(shí)際上是von Mises提出的各向同性材料屈服準(zhǔn)則的推廣。

        1.3 材料屬性

        碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)如表1所示,高強(qiáng)度鋁合金材料性能參數(shù)如表2所示。

        表1 碳纖維復(fù)合材料性能參數(shù)Tab. 1 Carbon fiber composite performance parameters

        表2 高強(qiáng)度鋁合金材料性能參數(shù)Tab. 2 High strength aluminum alloy performance parameters

        1.4 網(wǎng)格劃分、邊界及載荷條件

        使用Ansys APDL 18.0軟件對(duì)三維模型進(jìn)行四邊形網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格類型為映射四邊形網(wǎng)格,鋁合金模型網(wǎng)格數(shù)31 116個(gè),復(fù)合材料模型網(wǎng)格26 536個(gè),復(fù)合材料鋪層角度按照±20°/±45°/±89°鋪設(shè)[6-7],網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖3所示。

        有限元仿真計(jì)算邊界條件為固定結(jié)構(gòu)底部法蘭及上部支撐環(huán)的3個(gè)平動(dòng)自由度及3個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)自由度,載荷為筒壁內(nèi)施加1.2 MPa內(nèi)壓,如圖4所示。仿真計(jì)算由Ansys APDL 18.0完成。

        圖3 有限元網(wǎng)格示意圖Fig. 3 Structural finite element mesh diagram

        圖4 邊界及載荷示意圖Fig. 4 Structural boundary and load diagram

        2 鋁合金發(fā)射筒強(qiáng)度、剛度分析

        首先進(jìn)行基于高強(qiáng)度鋁合金材料的發(fā)射筒強(qiáng)度、剛度有限元仿真計(jì)算,發(fā)射筒壁厚度為10 mm。鋁合金材料發(fā)射筒結(jié)構(gòu)變形及結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖5和圖6所示。

        經(jīng)有限元仿真計(jì)算表明,鋁合金材料發(fā)射筒最大結(jié)構(gòu)變形為2.00 mm,最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力為116.99 MPa,最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力未超過(guò)材料許用應(yīng)力,結(jié)構(gòu)重量為2.57 t。

        圖5 鋁合金材料發(fā)射筒結(jié)構(gòu)變形示意圖Fig. 5 Schematic diagram of structural deformation of aluminum launch tube

        圖6 鋁合金材料發(fā)射筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力示意圖Fig. 6 Schematic diagram of structural stress of aluminum launch tube

        3 碳纖維發(fā)射筒強(qiáng)度、剛度分析

        以第2章鋁合金材料發(fā)射筒的結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度性能為基準(zhǔn),對(duì)碳纖維材料發(fā)射筒進(jìn)行有限元仿真計(jì)算。選取的碳纖維材料發(fā)射筒筒壁厚度及鋪層層數(shù)如表3所示。加強(qiáng)筋厚度為15 mm,100層。

        表3 碳纖維筒壁厚度Tab. 3 Thickness of carbon fiber composite launch tube

        經(jīng)有限元仿真計(jì)算,得到碳纖維a~碳纖維d四種壁厚的碳纖維材料發(fā)射筒結(jié)構(gòu)變形及結(jié)構(gòu)強(qiáng)度如圖7和圖8所示。

        分析有限元計(jì)算結(jié)果表明,當(dāng)碳纖維材料發(fā)射筒筒壁厚度從7.95 mm增大至13.95 mm,整體結(jié)構(gòu)變形趨勢(shì)相似,最大結(jié)構(gòu)變形量由3.08 mm減小至1.75 mm;最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力位置出現(xiàn)了由筒底部到筒頂部的變化,最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力均未超過(guò)材料許用應(yīng)力。

        圖7 碳纖維材料發(fā)射筒結(jié)構(gòu)變形示意圖Fig. 7 Schematic diagram of structural deformation of carbon fiber composite launch tube

        分別以結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力及重量為x,y,z軸繪制圖表如圖9所示。

        圖9表明,本文中所有計(jì)算工況中的最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力均小于材料許用應(yīng)力。根據(jù)此結(jié)論,考慮結(jié)構(gòu)變形與重量關(guān)系繪制圖表如圖10所示。

        圖10表明,當(dāng)碳纖維材料發(fā)射筒筒壁厚度為12 mm時(shí),其最大結(jié)構(gòu)變形與高強(qiáng)度鋁合金材料發(fā)射筒相當(dāng),分別為2.07 mm與2.00 mm。統(tǒng)計(jì)并分析碳纖維材料與高強(qiáng)度鋁合金材料發(fā)射筒結(jié)構(gòu)變形與重量如表5所示。

        圖8 碳纖維材料發(fā)射筒結(jié)構(gòu)應(yīng)力示意圖Fig. 8 Schematic diagram of structural stress of carbon fiber composite launch tube

        圖9 結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力及重量關(guān)系示意圖Fig. 9 Schematic diagram of structural deformation,stress and weight

        綜合分析圖10及表5表明,當(dāng)碳纖維材料發(fā)射筒筒壁厚度為12 mm時(shí),其最大結(jié)構(gòu)變形為2.07 mm,

        圖10 結(jié)構(gòu)變形及重量關(guān)系示意圖Fig. 10 Schematic diagram of structural deformation and weight

        表5 結(jié)構(gòu)變形及重量比較Tab. 5 Comparison of structural deformation and weight

        比較高強(qiáng)度鋁合金材料發(fā)射筒大3.50%,而碳纖維材料發(fā)射筒重量為1.32 t,比高強(qiáng)度鋁合金材料發(fā)射筒輕48.64%。

        4 結(jié) 語(yǔ)

        本文使用有限元數(shù)值仿真方法對(duì)某型發(fā)射筒使用碳纖維復(fù)合材料替代高強(qiáng)度鋁合金材料的情況進(jìn)行了內(nèi)壓工況下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度的研究。研究結(jié)果表明,當(dāng)前結(jié)構(gòu)下壁厚10 mm的高強(qiáng)度鋁合金材料發(fā)射筒在1.2 MPa內(nèi)壓工況下最大結(jié)構(gòu)變形2.00 mm,最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力,結(jié)構(gòu)重量2.57 t;碳纖維復(fù)合材料發(fā)射筒筒壁厚度為12 mm,層數(shù)為80層時(shí),最大結(jié)構(gòu)變形為2.07 mm,最大結(jié)構(gòu)應(yīng)力小于材料許用應(yīng)力,結(jié)構(gòu)重量1.32 t;碳纖維復(fù)合材料發(fā)射筒結(jié)構(gòu)重量比高強(qiáng)度鋁合金發(fā)射筒結(jié)構(gòu)重量輕48.64%。本文的有限元仿真分析結(jié)果為復(fù)合材料發(fā)射筒方案設(shè)計(jì)提供參考。

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