靜壓下復合殼的屈曲分析與試驗

靜壓下復合殼的屈曲分析與試驗

摘要：本文的主要目的是研究有限元方法(FEM)對層狀復合圓柱殼屈曲和有效性 承受外部靜水壓力。 此外，基于ASME和美國航運局(ABS)的屈曲壓力方程，并根據USN125的要求定制  現場材料也被介紹。

為了確定復合材料在外部靜水壓力下的應用，對碳-環氧丙烷復合材料URN300A進行了材料試驗USN125。 測定了兩種復合材料的纖維和樹脂的強度和剛度。采用圓柱面板試驗研究垂直線l下屈曲后的行為。利用ABA QUS6.6規范進行了有限元分析，采用基于特征值問題解的線性屈曲模型和基于弧長的非線性模型各種情況的方法。此外，還進行了外部靜水壓力試驗，以驗證數值分析。這些結果與以前有限元得到的結果進行了比較嘲笑。有限元與測試結果的差異預計約為18%。

1. 導言

 在深水中作業的水下車輛應設計成具有壓力船體，以保持足夠的強度和剛度，以抵御外部靜水壓力。以防受壓殼體結構上的載荷，如壓力船體，屈曲很可能在應力程度上產生，這遠遠低于材料的極限強度。殼體的壓縮屈曲因此，結構最近得到了大力研究。

例如，預計在潛艇中的壓力船體上應用復合材料可能會降低結構本身的重量。 此外，隱身技術可能作為軍事結構具有優越的優勢。

本研究的重點是有限元方法的屈曲和后屈曲行為的疊層復合圓柱殼在外部靜水壓力下的效率，以及可行性  通過面板和氣缸屈曲試驗，研究了層合復合材料的應用可行性。 此外，還與汽車后有限元分析進行了比較。進行特征值屈曲分析，建立了層合復合殼的靜水試驗和基于ASME和ABS的修正屈曲方程  圓柱殼設計參數的H、厚度和直徑。

 

2. 層合復合材料的應用研究

2.1. 材料的選擇和力學性能試驗

由于需要較高的剛度和易購性，碳環氧丙基復合材料、URN300和URN125被認為是一種的材料，通過試驗對所選船體和材料性能進行了評價。 試驗得到URN300和URN150的材料性能如表1所示。

2.2. 在壓縮載荷下在圓柱形面板上的屈曲

利用商業代碼ABA QUS6.6進行了屈曲分析，以確定層合復合圖的行為。放置的圓柱形面板  通過屈曲試驗驗證了壓縮載荷和分析結果。

2.2.1. 有限元分析

單元S8R由8個節點組成，作為疊層復合屈曲分析的單元，而復合板則由[02/90]測序的8個堆疊組成 在分析中應用了2]s和[±45/0/90]s，以及測試中的力學性能。 面板幾何形狀為半徑200mm，長度120mm，弧角60?，堆垛厚度，疊層復合面板為1.84mm。 邊界條件被認為是兩端的簡單支撐。 此外，這是一個假設的非線性屈曲分析是適當的特征值分析的第一種模式存在缺陷。

2.2.2. 疊層復合圓柱面板的屈曲試驗

 在進行外靜水壓試驗之前，用為試驗而制造的疊層復合圓柱面板進行了屈曲試驗，并與分析結果進行了比較 層壓復合壓力容器的確定試驗。 本實驗采用Instron5582，在圖中捕獲了變形1.

圖1 復合面板的扣壓試驗。

 

圖2 圓柱面板的荷載-撓度曲線。

 

 表2-實驗與ABA QUS最大屈曲載荷的比較

 

2.2.3. 結果和討論圖

 其中2包含根據每個堆疊序列[02/902]s和[±45/0/90]s包含有限元分析結果。 1，特別說明變形階段，按階段劃分，所有的耳標都是鳥類翅膀的形狀，而從屈曲試驗和分析中得到的結果在表2中進行了比較。 USN125對屈曲BEC更有效  在屈曲前具有高模量的URN300斷裂。

3. 復合圓柱殼靜壓屈曲試驗及有限元分析

 為了識別復合材料設計的圓柱的屈曲載荷和屈曲后行為，并驗證有限元分析，采用圓柱模進行了靜壓屈曲試驗  為這個測試而制造的。

3.1. 外靜水壓試驗及分析

 如圖3所示采用金屬法蘭的雙接頭制作了半徑為158mm、長度為600mm的柱形復合材料靜壓試驗模型 一個復合殼。 靜水壓力容器的一側被設計成開口，以便通過增加靜水壓力來檢查氣缸的變形。 對URN125的標本進行了PR 準備測試。 表3表示層合復合圓柱殼的尺寸。 用ABA QUS對堆垛角為[0/90]12T的復合圓柱進行了屈曲分析 6.6。

3.2. 成果和討論

 表3顯示了靜水壓力試驗和有限元分析，總的來說，兩者是一致的。

圖3靜壓容器屈曲試驗用復合缸。

 

4.復合圓柱殼設計因素分析

在這一部分中，旨在通過提出復合圓柱殼的設計因素和進行有限元分析來領導復合屈曲方程。

4.1. 設計因素的選擇

 確定沒有加勁環的圓柱殼屈曲壓力的因素是復合材料的楊氏模量(E11，E22)、泊松比（12）、復合殼厚度(T)，復合殼直徑(D0)和復合殼長度(L)。由于存在r，設計因素應該被無量綱描述，這可能是有效和一致的各因素之間的相互關系。因此，情商。（1）參考了近年來廣泛研究的ASME規范(Fibre，2004)允許壓力方程。 （1）可能是通常用于短圓柱殼(L/Lc)，如下所述。

 

在各向同性材料的情況下，經驗彈性屈曲方程。 （3）由溫登堡提議，用于ABS（美國航運局）。

4.2. 襯板彎曲分析

將8節點的S8R作為合適的單元應用于復合屈曲分析，并以復合試驗的值作為材料性能。 每一個具體的長度，半徑，用于復合屈曲分析的圓柱殼縱向彈性模量的厚度和范圍見表4。 關于堆垛順序[0/90]s，是  在分析中使用了8種不同長度的300~650mm，間隔50mm，6種不同直徑的300~800mm，間隔100mm，3種不同的縱向彈性模量(131 ，151，171GPa)，基于USN125。 選擇簡支條件作為邊界條件。

 

 4.3. 屈曲壓力方程的歸納

利用線性屈曲分析的屈曲壓力值定義了極限屈曲壓力方程。 從有限元分析中發現，2.38是“K”屈曲因子，而從ASME代碼中提取2.6。 圖 4給出了有限元分析結果與基于每個設計因子(t/D和D/L)的插值結果的比較圖片，兩者都顯示出來  幾乎是彼此匹配的。 因此，可以在有限元分析的屈曲壓力基礎上，建立一個新的復合屈曲壓力方程，對所建立的方程進行修正。

5. 結論

采用有限元分析方法，建立了外壓復合圓柱殼的屈曲分析方法  通過對面板和碳/環氧丙基復合材料、URN300和URN125進行材料性能測試，應用復合材料。 試驗發現，URN125具有較高的強度和 較低的彈性模量，可能更合適。 （2）結果表明，有限元分析和靜水試驗結果吻合較好。 （3）改進的復合屈曲壓力  通過對建立的ASME進行修正，結合各種設計因素進行有限元分析，給出了方程。

轉載請注明精川材料檢測地址：www.ahmedelazab.com