王冰冰，林木，孟祥瑞

(大連海洋大學(xué)，遼寧 大連 116023)

0 引言

復(fù)合材料具有較高的比強(qiáng)度與比剛度，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛[1-3]。在復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用中存在各種結(jié)構(gòu)連接，并且這些結(jié)構(gòu)件的失效大多發(fā)生在連接位置上。封頭連接位置的強(qiáng)度對(duì)于整個(gè)壓力容器的耐久性及穩(wěn)定性意義重大。因此，復(fù)合材料壓力容器封頭連接的破壞過(guò)程分析及失效機(jī)理研究是復(fù)合材料工程應(yīng)用過(guò)程的重要問(wèn)題[4]。目前，國(guó)內(nèi)外研究人員對(duì)于復(fù)合材料壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)的失效分析大多采用有限元分析方法。有限元分析的原理主要是通過(guò)材料退化建模及非線性方程求解[5]。在有限元漸進(jìn)損傷分析原理方面，崔浩等[6]、PISANO A A等[7]通過(guò)研究復(fù)合材料接頭損傷破壞，發(fā)現(xiàn)復(fù)合材料接頭主要是剪切和拉斷失效。黃河源等[8]研究了非線性面內(nèi)損傷，并提出了三維混合失效模型，可將其用于模擬復(fù)合材料厚板螺栓連接的失效過(guò)程。綜上所述，有限元分析方法已廣泛用于復(fù)合材料連接結(jié)構(gòu)失效的研究過(guò)程中。因此，為了對(duì)復(fù)合材料壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行合理性研究，本文采用有限元分析軟件ANSYS建立實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ筒?duì)其進(jìn)行計(jì)算仿真，從而分析復(fù)合材料壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)的破壞形式和失效強(qiáng)度，為復(fù)合材料壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 壓力容器封頭材料與結(jié)構(gòu)

該航空飛行器壓力容器封頭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)為封頭)采用國(guó)內(nèi)某復(fù)合材料，材料彈性模量等參數(shù)根據(jù)壓力容器封頭試樣的性能試驗(yàn)確定，等效彈性模量為45 GPa、泊松比為0.29。其壓力容器封頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓力容器封頭結(jié)構(gòu)

該封頭是使用沿圓周方向28個(gè)均布孔通過(guò)螺栓連接實(shí)現(xiàn)與堵蓋之間安裝和固定的，屬圓周對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)，因此在分析過(guò)程中為了減少計(jì)算量并對(duì)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，選取1/14扇形區(qū)域進(jìn)行分析。封頭連接的強(qiáng)度不僅會(huì)受材質(zhì)強(qiáng)度的影響，同時(shí)也會(huì)受結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)、預(yù)緊力、搭接形式、螺栓選擇、端徑比等因素影響。因此在封頭與螺栓的連接螺套采用臺(tái)階形式設(shè)計(jì)，這種結(jié)構(gòu)能更好地承受螺栓的軸向載荷。封頭鏈接形式如圖2所示，其中堵蓋、螺栓、螺套的材料為30CrMnSiA，等效彈性模量為205 GPa、泊松比為0.25。

圖2 壓力容器封頭的鏈接形式

1.2 壓力容器封頭有限元模型

通過(guò)ANSYS有限元分析軟件建立封頭連接結(jié)構(gòu)的有限元模型。網(wǎng)格采用四面體、六面體類(lèi)型，單元尺寸分別是3 mm、5 mm 和 4 mm。如圖3所示共有43 871 個(gè)單元，32 256個(gè)節(jié)點(diǎn)，材料屬性按照上文提到的分別對(duì)封頭、堵蓋、螺栓、螺套進(jìn)行材料設(shè)置。邊界條件如圖4所示，為封頭外表面固定，并在兩側(cè)施加對(duì)稱(chēng)邊界條件；堵蓋的下表面與封頭的上表面添加面接觸摩擦系數(shù)為0.02。

圖3 封頭螺栓連接網(wǎng)格模型

圖4 載荷和邊界條件示意圖

承壓分析過(guò)程按照美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)學(xué)會(huì)測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)ASTMD6742執(zhí)行[9]。為了測(cè)試復(fù)合材料壓力容器封頭結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，根據(jù)實(shí)際工作中堵蓋承受10.2 MPa壓力，本文模擬了兩種工況：其一，根據(jù)實(shí)際工作壓力對(duì)堵蓋內(nèi)表面施加內(nèi)壓10.2 MPa；其二，對(duì)堵蓋內(nèi)表面進(jìn)行15%的過(guò)載施加內(nèi)壓14.1 MPa，進(jìn)行計(jì)算。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力容器內(nèi)壓10.2 MPa計(jì)算結(jié)果

壓力容器封頭在10.2 MPa內(nèi)壓的作用下，頂蓋中心位置拱起的最大位移約為2.5 mm。連接螺栓承受拉彎耦合作用，在螺栓端頭帽下方發(fā)生了塑性變形，最大塑形應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，為1.42%。在鋼螺套與封頭連接區(qū)內(nèi)，兩個(gè)臺(tái)階部位主要承受來(lái)自螺栓的拉彎載荷。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)封頭與鋼螺套的連接部位受力并不均勻，靠近外側(cè)應(yīng)力較大，從軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)來(lái)看，螺套連接處的上臺(tái)階面附近拉應(yīng)變約為4 600 με。

圖5 內(nèi)壓10.2 MPa作用下整體位移分布

2.2 壓力容器內(nèi)壓14.1 MPa計(jì)算結(jié)果

壓力容器封頭在14.1 MPa內(nèi)壓作用下，頂蓋中心位置拱起的最大位移約為3.5 mm。連接螺栓主要承受拉彎耦合作用，在螺栓端頭帽下方發(fā)生了塑性變形，最大塑形應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，為3.4%。鋼螺套與封頭連接區(qū)，兩個(gè)臺(tái)階部位主要承受來(lái)自螺栓的拉彎載荷。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)壓力容器封頭與鋼螺套的連接部位受力并不均勻，靠近外側(cè)應(yīng)力較大，螺套連接處的臺(tái)階面附近拉應(yīng)變約為6 200 με。

圖6 內(nèi)壓14.1 MPa作用下整體位移分布

2.3 壓力容器封頭的破壞模式

復(fù)合材料連接的擠壓失效是發(fā)生在局部的失效，不會(huì)引起大面積崩潰失效，相對(duì)來(lái)講是較為安全的失效形式。因此，在復(fù)合材料螺栓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)中，應(yīng)盡可能地使用構(gòu)件發(fā)生擠壓失效或包含擠壓失效的組合失效模式，從而保證結(jié)構(gòu)件具有較高的穩(wěn)定性和安全性[10]。如圖7所示，在壓力容器封頭承壓對(duì)比實(shí)驗(yàn)中，螺栓連接的軸向應(yīng)變隨內(nèi)壓的增加逐漸變大，強(qiáng)度破壞風(fēng)險(xiǎn)也逐漸增加。

圖7 壓力容器應(yīng)變分布對(duì)比

3 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)有限元分析方法研究壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)的失效過(guò)程，分析復(fù)合材料壓力容器封頭連接的失效機(jī)理，發(fā)現(xiàn)其中螺栓強(qiáng)度、材料強(qiáng)度以及螺栓寬徑比等因素，均會(huì)對(duì)壓力容器封頭的失效過(guò)程產(chǎn)生影響，以此可為壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了一種理論參考依據(jù)。

1)壓力容器封頭的臺(tái)階式螺套傳力較為合理，該結(jié)構(gòu)形式不容易從基體中拉脫，是較為合理的結(jié)構(gòu)形式。

2)壓力容器封頭在10.2 MPa內(nèi)壓作用下，螺栓塑形應(yīng)變?yōu)?.42%，塑性區(qū)占整個(gè)剖面的比例較小，無(wú)強(qiáng)度風(fēng)險(xiǎn)。封頭與螺套的連接區(qū)，靠近上臺(tái)階附近軸向應(yīng)變約為4 600 με。

3)壓力容器封頭在14.1 MPa內(nèi)壓作用下，螺栓塑形應(yīng)變?yōu)?.4%，塑性區(qū)基本貫穿整個(gè)剖面，螺栓有一定強(qiáng)度破壞風(fēng)險(xiǎn)。封頭與螺套的連接區(qū)，靠近上臺(tái)階附近軸向應(yīng)變約為6 200 με。