夹层复合材料圆柱壳表层的缠绕优化

发布时间：2019-10-09 03:52

【摘要】：以平衡型稳定网络为约束条件,以等强度和提高临界失稳载荷为设计目标,对夹层复合材料圆柱壳体的缠绕表层进行了优化研究。首先,基于等强度设计,得到表层的最优缠绕方式为螺旋加环型缠绕,且螺旋缠绕角应满足α≤54.7°;其次,以结构强度及稳定性为双重指标,采用ABAQUS建立有限元模型,求解不同长径比的夹层复合材料圆柱壳的最优螺旋缠绕角α_(opt)。研究发现:当长径比0.5≤η≤3时,随η增加,表层的最优缠绕方式从单一螺旋加环型缠绕过渡至纵向铺放加环向缠绕,且最大临界失稳载荷Pcr近似呈二次递减关系。该优化方法不仅可达到轻量化要求,而且满足结构强度和稳定性双重指标。
【图文】：

圆柱壳体,设计流程,表层

?1．1设计思路纤维缠绕的主要网络单元有4种，即单一螺旋型、螺旋加环型、螺旋加纵向型、纵向加环型，考虑到工程应用条件，本文仅对单一螺旋缠绕和螺旋加环型两种缠绕方式进行最优化设计。设计分两步走:第一步，基于平衡型网络理论，以等强度设计为目标，得到满足结构强度要求的缠绕方式、缠绕层厚度、缠绕角度等参数，此时对应的结果并非唯一解;第二步，在满足等强度设计的基础上，采用有限元软件，建立结构稳定性计算模型，以提高最大临界失稳载荷为目标，得到同时满足结构强度及稳定性要求的最优解，具体流程见图1。图1圆柱壳体表层最优缠绕设计流程Fig．1Optimaldesignprocessoffilament-woundcylindersurface1．2实施步骤对于均匀静水压力载荷作用下，采用螺旋加环向缠绕的复合材料夹层耐压圆柱壳，设螺旋缠绕角度为±α，环向缠绕角度为π/2。取壳体的轴向坐标为z，环向坐标为θ，分别平行于θ和z方向切取单位长度的网络单元［8］。由平衡方程得，圆柱壳体的轴向和环向薄膜内力为:Nz=pＲ2Nθ{=pＲ(1)式中，Ｒ为圆柱壳体半径，p为均布压力的大校因芯材的模量远远低于表层碳纤维复合材料，忽略芯材对表层纤维应力的影响。当网络单元处于平衡状态时，则纤维张力与薄膜内力必须满足如下关系:Nz=σfαhfαcos2αNθ=σfαhfαsin2α+σfθhf{θ(2)式中，σfα为螺旋缠绕纤维应力，σfθ为环向缠绕纤维应力，hfα为螺旋缠绕纤维厚度，hfθ为环向缠绕纤维厚度。平衡型应变状态时，，εfα=εfθ=ε，所以σfα=σfθ。此时式子(2)变为:Nz=σfhfαcos2αNθ=σf(h

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堑ピsC8Ｒ模拟，模型底部约束轴向位移及两个转角的自由度(U3=UＲ1=UＲ2=0)，顶部采用MPC技术将顶部端面与参考点ＲF等效约束，同时约束轴向位移及三个转角的自由度(U3=UＲ1=UＲ2=UＲ3=0)，施加均匀静水外压，顶部于MPC参考点施加等效轴向集中力载荷，边界条件和载荷设计见图3。表1表层材料HF10/EM301力学性能Tab．1MechanicalpropertiesofsurfacematerialHF10/EM301纵向压缩模量/GPa横向压缩模量/GPa面内剪切模量/GPa纵向压缩强度/MPa横向压缩强度/MPa面内剪切强度/MPa1118．674113218582．8图2夹层复合材料圆柱壳体模型(η=1，2，3)Fig．2Finitemodelsofsandwichcompositecylinderswithdifferentη图3边界条件与载荷设计Fig．3Boundaryconditionsandloaddesign2．1不同缠绕角度下的最优缠绕方式对于螺旋加环向缠绕及单一螺旋缠绕复合材料圆柱壳，当缠绕角α≤54.7°时，结构满足平衡型网络要求。由式(8)、(9)，计算不同缠绕角α所对应的螺旋缠绕与环向缠绕厚度比例，如表2所示。表2不同缠绕角对应的缠绕方式Tab．2Windingpatternchangingoverdifferentwingdingangle编号缠绕角α/(°)纤维铺层比例90°方向±α方向100．660．34250．660．343100．660．344150．640．365200．620．386250．590．417300．560．448350．50．59400．430．5710450．330．6711500．190．811254．701采用有限元软件ABAQUS，建立结构稳定性计算模型，分别计算采用上述缠绕方式的复合材料圆柱壳在静水外压作用下的临界失稳载荷，并绘制η=1，2，3的复合材料夹层圆柱壳失稳载荷pcr随螺旋缠绕角αp的变化规律曲线(图4)。由图4可知:对于长径比η=1，2，3的复合材料圆柱壳，最优化
【作者单位】：海军工程大学勤务学院;海军工程大学舰船工程系;
【基金】：国家部委基金资助项目(9140A14080914JB11044) 海军工程大学自然科学基金
【分类号】：TB33

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