复合层合管力学特性的分析

    0　概述

    本文所分析的复合层合管,承受高温高压的工作载荷,从使用要求出发应该具有较高的工作寿命、较轻的质量、较好的抗振性能,其结构模型如图0·1所示。它以常用的结构钢作为内管,选用耐热性能优良的材料作为内管里面的衬管,以承受高温与高压,两者过盈配合;从减重角度考虑,在内管外加树脂基复合材料外层作为外套管,以保证管体的刚度和强度。

    在复合层合管有限元分析中,涉及到稳态外载作用下结构应力、应变及强度分析,可以考虑结构的线性及非线性,载荷为作用于管体内表面并沿其法线方向的面载荷;同时考虑静力与热联合作用的热耦合场分析,采用了顺序耦合的方法,先进行热分析,然后将得到的节点温度作为体载荷施加到结构分析中去;复合层合管动态特性的分析,可确定多阶模态参数。

    1　有限元模型的建立

  　1.1　单元类型

    在复合层合管有限元分析过程中,应用的单元有:2D平面四节点单元,可作为平面模型或轴对称模型的网格划分单元,也可作为实体模型生成过程的基础单元使用;3D实体单元,可用于建立三维实体有限元模型;层状结构体单元,为八节点三维实体单元的层叠形式,如图1·1所示,适用于复合材料层叠结构的分析;3D面接触单元,包括目标面单元与接触面单元,它们是相互匹配的接触对,适用于分析过盈装配问题,采用非线性分析中的面—面接触方法;热单元,专门用于热分析,可分为二维实体单元和三维实体单元,分别适用于平面模型和三维实体模型的稳态热分析和瞬态热分析。

  　1.2　坐标系

    定位模型几何形状参数的全局坐标系,采用笛卡儿坐标系(X, Y,Z).单元坐标系为(x,y,z),如图1·1所示。层状单元中层的坐标系(x′,y′,z′),对应于复合材料层的材料坐标系,采用正交右手系层坐标系如图1·2所示,θ与复合材料铺层缠绕角α(纤维与管体轴线的夹角)互为余角。

  　1.3　有限元模型

    在复合层合管有限元分析中[3~5],有限元模型的生成采用两种方法,一是先生成完整的几何实体模型,再选取合适的单元进行网格划分;另一种方法是先生成基线或基面,选取合适的单元对基线或基面划分网格,然后利用单元网格拉伸的方法,沿合适的方向生成所需的有限元及实体模型。通常各向同性材料的圆管采用第一种方法,复合材料层叠圆管采用第二种方法。分析中建立了全复合材料管、两层过盈结构金属管、复合层合管等多种有限元模型。根据结构及载荷的特点,模型可取为整个管体的四分之一。

    2　有限元分析算例

    2.1　模型结构参数