張海洋

（西安石油大學(xué)，陜西　西安　710000）

金屬內(nèi)襯纖維纏繞復(fù)合材料壓力容器數(shù)值分析

張海洋

（西安石油大學(xué)，陜西西安710000）

壓力容器設(shè)有金屬內(nèi)襯及復(fù)合材料，解析了壓力容器內(nèi)在的壓力數(shù)值。金屬內(nèi)襯具有纏繞的纖維，考慮到復(fù)合材質(zhì)選取的厚度及鋪設(shè)的角度。構(gòu)建了材料模型，采納彈塑性根本理論用作解析復(fù)合材質(zhì)的壓力容器。簡化了數(shù)值解析必要的模型，觀測內(nèi)在的容器荷載變動。分析得到了與模擬模型彼此吻合的數(shù)值，表明解析的步驟是有效的。

金屬內(nèi)襯；纖維纏繞；復(fù)合材料；壓力容器；數(shù)值分析

壓力容器配備的金屬內(nèi)襯選取了纖維纏繞的工藝。纏繞纖維之后，依照描繪的應(yīng)力變化曲線來判斷容器是否失效。固化工藝是必要的，但復(fù)合材質(zhì)及容器內(nèi)的金屬內(nèi)襯有著差異較大的理化特性，也設(shè)定了不相等的纏繞參數(shù)。對此有必要辨析金屬內(nèi)襯制作成的壓力容器數(shù)值，解析各個時點的變化數(shù)值。在這種基礎(chǔ)上，確保各層次的纏繞都符合了應(yīng)力曲線，確保固化應(yīng)有的實效性。

1　依照的根本原理

纖維纏繞狀態(tài)的金屬內(nèi)襯可用作各類壓力容器，含有復(fù)合材質(zhì)。固化處理選取了這類工藝，但要顧及復(fù)合狀態(tài)下的纏繞纖維特性、內(nèi)襯的金屬性。在衡量差異同時，還應(yīng)辨析固化反應(yīng)下的各階段應(yīng)力?，F(xiàn)存的容器之中可劃分多層次的不等應(yīng)力，數(shù)值構(gòu)成了梯度。應(yīng)力場并非均衡，這就增添了不夠均衡狀態(tài)下的材質(zhì)固化，變形及測定的應(yīng)力也將偏高。復(fù)合材料由此顯現(xiàn)了局部架構(gòu)的纏繞纖維損傷，容器本體的承載屬性也將減低。

設(shè)定固化工藝，確保纏繞纖維擁有足夠的應(yīng)力，加快了原本的固化速率。這樣做，減低了固化流程之中的容器質(zhì)量弊病，杜絕制造缺陷［2］。最近幾年，較多學(xué)者都注重了復(fù)合材質(zhì)制備成的壓力容器，探析內(nèi)襯金屬的若干性能。依照的根本機理含有熱傳導(dǎo)機理、反應(yīng)動力學(xué)、復(fù)合材料采納的原理。借助有限元解析衡量了固化進程附帶的應(yīng)力變更。

2　數(shù)值分析的若干對象

2.1解析固化進程

內(nèi)襯金屬容器配備的復(fù)合材質(zhì)有著本身的承載特性及幾何屬性，辨析了壓力容器關(guān)聯(lián)的數(shù)據(jù)。解析工藝力學(xué)，假設(shè)為軸對稱。固化狀態(tài)代表著各時點的物理量，描述反應(yīng)的總進程?；瘜W(xué)反應(yīng)釋放著某一比例熱能，因而篩選了某個時點以便于表述這個狀態(tài)下的化學(xué)熱能。構(gòu)建傳導(dǎo)方程，求解獲取了熱源場針對于固化進程的詳盡分布。求解應(yīng)能確保最優(yōu)的收斂及穩(wěn)定，解析數(shù)值借助于線性的局部思路。

2.2解析傳導(dǎo)性能

熱傳導(dǎo)有著瞬時的屬性，解析瞬時數(shù)值就應(yīng)構(gòu)建離散形態(tài)下的控制方程。針對于熱傳導(dǎo)，整合了時間及對應(yīng)的空間域。選取了加權(quán)余量，在通用狀態(tài)下構(gòu)建了可辨別的坐標(biāo)系。熱傳導(dǎo)含有空間域特定的二維解析，設(shè)定了有限元必備的控制方程。在運算步驟中，構(gòu)建了正定對稱矩陣，解析總體范圍內(nèi)的溫度向量［3］。

考慮到熱源內(nèi)在的精確密度、測定的邊緣熱流量、外在對流帶來的邊界溫度。離散了關(guān)系式，選取某一時間區(qū)域?qū)?yīng)著空間域。給定插值函數(shù)，經(jīng)過推導(dǎo)獲得了參量相應(yīng)的關(guān)系式。模擬瞬時態(tài)勢下的熱傳導(dǎo)，要慎重篩選必備的參量。這是由于，參量關(guān)系著運算得出的真實精度、必要的運算耗費、容器的穩(wěn)定性。實驗可以證實：選取設(shè)定好的時間步長，快速解析了熱傳導(dǎo)必備的數(shù)值，獲得了最優(yōu)的傳導(dǎo)穩(wěn)定性。

2.3判斷壓力容器是否失效

纖維纏繞層采納了復(fù)合材質(zhì)，解析這一層表現(xiàn)出來的熱應(yīng)力，這種進程要顧及非線性屬性。應(yīng)力場有著瞬時的表征，辨析了溫度場之后，在選取的時間段之內(nèi)運算了固化程度、相應(yīng)的溫度場。依照即時狀態(tài)分布的溫度場即可得到精準(zhǔn)的力學(xué)屬性。解析時，假定維持了恒定形態(tài)的力學(xué)屬性。運算選取了纖維材質(zhì)本體擁有的力學(xué)特性、相關(guān)固化程度。起初及后續(xù)固化的進程中，辨析了精準(zhǔn)的彈性模量。擴散至某一時點，纖維將顯現(xiàn)膠狀的表層?；瘜W(xué)硬化應(yīng)力松弛有著內(nèi)在的競爭因子，假定纖維材質(zhì)在各個方向都含有等同的屬性，運算得出了剪切模量。

運算的公式為：E/（v+1）*2。在這之中，E代表彈性模量，v代表競爭因子。觀察可以得知：纖維材質(zhì)擁有較優(yōu)的連續(xù)狀態(tài)，模型顯現(xiàn)了細微布設(shè)的力學(xué)表層。固化解析了數(shù)值，保溫及升溫步驟之內(nèi)都可選取固化度關(guān)聯(lián)的函數(shù)。針對于后續(xù)冷卻，纖維將不再伴隨溫度而顯現(xiàn)任一變化。

2.4解析多類要素的耦合

固化工藝針對于復(fù)合屬性的內(nèi)襯纖維，辨析工藝力學(xué)要考慮到積分，這種進程表現(xiàn)為非線性。解析工藝力學(xué)，要慎重辨析應(yīng)力以及溫度、固化度的變化、耦合形態(tài)的應(yīng)力場。例如：設(shè)定了動力學(xué)采納的固化方程，那么可借用時間及溫度以此來代表固化度。這樣做，代表著熱傳導(dǎo)在瞬態(tài)構(gòu)造中關(guān)系到溫度及時間。解析復(fù)合材料，固化度及測定溫度顯示出較強形態(tài)的彼此耦合［4］。

采納迭代算法，解決了常態(tài)的耦合難題，這種基礎(chǔ)之上再去尋求分布的固化度及精確溫度。在計算應(yīng)力時，纏繞纖維的復(fù)合材質(zhì)都可用作代表溫度、時間等的函數(shù)。應(yīng)力場擁有非線性的表征，可用作解析瞬態(tài)的特性。求解選取的完整進程可細分若干的段落，代表不同的時間。熱壓釜維持了恒定溫度，選取基體相的某些材質(zhì)。保持力學(xué)屬性，探析了熱物理的特性。

3　分析的步驟

3.1構(gòu)建幾何模型。設(shè)定了起初的彈性常數(shù)、各單元配備的熱學(xué)常數(shù)、熱膨脹的系數(shù)。K代表了時間步，起初設(shè)定為0。依照描繪出來的固化曲線，求解得出分布情形下的容器應(yīng)力。

3.2針對于各個細化的節(jié)點，讀出精準(zhǔn)的應(yīng)力數(shù)值。依照應(yīng)力的變更，算出了節(jié)點配備的精確固化度。依照固化數(shù)值，算出應(yīng)力變化的總體速率。依照了細觀力學(xué)以便于衡量各單元配備的系數(shù)，辨析了熱膨脹、彈性的系數(shù)等。

3.3辨析了纏繞層內(nèi)在架構(gòu)的復(fù)合材質(zhì)，衡量了熱膨脹特定的系數(shù)、內(nèi)襯相關(guān)的彈性系數(shù)。在這時，k代表的時間步可設(shè)定為k+1。計算了熱應(yīng)力，重復(fù)如上的步驟直至終結(jié)了固化的完整進程［5］。

4　選取解析的實例

忽視了流動的纖維，算出熱邊界設(shè)定的條件。內(nèi)襯配備的上下表層給定了18及26的放熱系數(shù)。在加熱容器內(nèi)，復(fù)合材質(zhì)選取的中心點也在不斷變更固有的溫度數(shù)值。經(jīng)過觀察得出：模擬結(jié)果吻合了實驗獲取的結(jié)果，這就表明壓力容器模擬數(shù)值是正確的。假定了完好的粘結(jié)界面，同時衡量了軸對稱的特性及容器幾何屬性。離散單元設(shè)定了對稱形態(tài)的節(jié)點，測定了22W/㎡特定的放熱系數(shù)。

起初溫度升高，容器外側(cè)超越了內(nèi)側(cè)壓力，壓力沿著外側(cè)漸次傳遞至內(nèi)側(cè)。纖維固化由此帶來了釋放的更多熱能，產(chǎn)生固化反應(yīng)。在后期分析時，內(nèi)襯還會逐漸升溫，由此超越了外側(cè)起初的壓力。評估了熱應(yīng)力、內(nèi)襯壓力的變更規(guī)律，對于評判壓力容器表現(xiàn)的使用性能有著必要性，辨別了徑向變更的壓力。

圖為應(yīng)力曲線的變化

5　結(jié)語

數(shù)值解析給予動力學(xué)范圍內(nèi)的固化反應(yīng)機理、復(fù)合材料及應(yīng)力變化的機理。設(shè)定了有限元分析，考慮了變更的內(nèi)襯性質(zhì)及分布狀態(tài)的應(yīng)力。解析了典型數(shù)值，固化進展之中的分量應(yīng)力可獲得必要的峰值。由此可以表明：固化選定的初期將會顯現(xiàn)峰值，代表著最大數(shù)值的應(yīng)力分量。數(shù)值解析可提供更合適的工藝指標(biāo)，針對于后續(xù)改進有著參照性。

［1］任明法，王榮國，陳浩然.具有金屬內(nèi)襯復(fù)合材料纖維纏繞容器固化過程的數(shù)值模擬［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2015（04）：118-124.

［2］陳浩然，任明法，王榮國.具有金屬內(nèi)襯纏繞壓力容器成型全過程應(yīng)力場分析［J］.大連理工大學(xué)學(xué)報，2012（06）：785-791.

［3］王榮國，赫曉東，胡照會等.超薄金屬內(nèi)襯復(fù)合材料壓力容器的結(jié)構(gòu)分析［J］.復(fù)合材料學(xué)報，2012（04）：131-138.

［4］吳耀楚，胡俊，李鵬.具有金屬內(nèi)襯的纖維增強復(fù)合材料壓力容器的應(yīng)力分析［J］.化工裝備技術(shù)，2013（05）：46-49.

［5］矯維成，楊帆，郝立峰等.含超薄金屬內(nèi)襯輕量化復(fù)合材料壓力容器的設(shè)計與制備［J］.科技導(dǎo)報，2013（07）：18-22.

TB657.2

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1003-5168（2015）-12-0148-2