基于有限元分析方法的儲罐復(fù)合材料涂層修復(fù)評估技術(shù)

韓新宇

摘 ? 要：復(fù)合材料是人們運用先進(jìn)的材料制備技術(shù)將不同性質(zhì)的材料組分優(yōu)化組合而成的新材料。由于其優(yōu)異的性能，廣泛應(yīng)用于國防工業(yè)、航空航天、精密制造、電子芯片等高技術(shù)行業(yè)。復(fù)合材料涂層是作為承力結(jié)構(gòu)使用的一種特殊復(fù)合材料。復(fù)合材料的各向異性和非線性特性使得傳統(tǒng)方法對材料的模擬和評估十分困難。本文依托某儲罐腐蝕修復(fù)項目，利用非線性有限元技術(shù)，建立了復(fù)合材料涂層理論和數(shù)值模型，完成了涂層修復(fù)結(jié)構(gòu)的安全裕度和極限強(qiáng)度。目前該項目運行平穩(wěn)，相關(guān)技術(shù)在國內(nèi)具有領(lǐng)先水平。

關(guān)鍵詞：復(fù)合材料 ?儲罐修復(fù) ?非線性有限元 ?數(shù)值模擬 ?安全裕度 ?極限強(qiáng)度

中圖分類號：TE973 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-098X（2019）08（a）-0103-02

復(fù)合材料是由一種以上具有不同性質(zhì)的材料構(gòu)成的，其主要優(yōu)點是具有優(yōu)異的材料性能。復(fù)合材料具有比強(qiáng)度大、比剛度高、抗疲勞性能好、各向異性以及材料性能可設(shè)計的特點。復(fù)合材料可用于飛機(jī)機(jī)翼、尾翼，發(fā)動機(jī)機(jī)匣、葉片等結(jié)構(gòu)設(shè)計，也是用于壓力容器、風(fēng)力發(fā)電葉片等民用結(jié)構(gòu)的先進(jìn)材料。

1 ?薄壁復(fù)合材料的剛度和柔度矩陣

2 ?有限元復(fù)合材料分析技術(shù)

在經(jīng)典的有限元程序中，復(fù)合材料可以使用各向異性單元來模擬，此外還有專門的分層單元（Layer Element）來模擬層和結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料。

ANSYS Composite PrepPost（ACP）是集成于ANSYS Workbench環(huán)境的全新的復(fù)合材料前/后處理模塊?？梢耘cANSYS其它模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無縫連接，在處理層壓復(fù)合材料結(jié)構(gòu)方面具有強(qiáng)大的功能。ACP具有強(qiáng)大的結(jié)果后處理，可獲得各種分析結(jié)果如層間應(yīng)力、應(yīng)力、應(yīng)變、最危險的失效區(qū)域等，還能夠?qū)崿F(xiàn)多方案的分析對比等。

ACP提供了豐富的復(fù)合材料失效分析方法和準(zhǔn)則。

（1）計算每一層的危險系數(shù)（IRF），安全系數(shù)（RF）和安全范圍（MOS）;

（2）失效模式任意組合;

（3）最大應(yīng)力準(zhǔn)則，最大應(yīng)變準(zhǔn)則，Tsai-Hill準(zhǔn)則，Tsai-Wu準(zhǔn)則，Hashin準(zhǔn)則，LaRC準(zhǔn)則和Cuntze準(zhǔn)則;

（4）二維和三維的UD和編織材料的PUCK準(zhǔn)則;

（5）三明治結(jié)構(gòu)的內(nèi)核失效和面板折皺失效。

（6）多工況組合

3 ?項目背景

某平臺上鋼質(zhì)撇油器和浮選器各三臺，由于防腐措施不當(dāng)，造成局部地方腐蝕，壁厚由22mm降到3.7～4.8mm左右。因此制定加強(qiáng)修復(fù)方案：在腐蝕區(qū)域外表面刷貝爾佐納1111涂漆，烘干后形成具有一定厚度和強(qiáng)度的粘結(jié)層，共同參與罐壁承載，增加罐壁強(qiáng)度。貝爾佐納1111，雙組分糊劑級涂層系統(tǒng)，以硅鋼合金為基礎(chǔ)，混合有高分子量反應(yīng)性聚合物和低聚物。固化后可完全機(jī)械加工。該涂層為非金屬高分子復(fù)合材料，與鋼鐵有較大區(qū)別，能夠保證修復(fù)結(jié)構(gòu)的剩余強(qiáng)度和使用壽命。涂層材料力學(xué)性能數(shù)據(jù)由廠家提供。

4 ?有限元建模和計算

4.1 建模和基本假定

建立儲罐模型基本方法：對于非涂層罐壁處，采用鋼的本構(gòu)關(guān)系和材料屬性，并扣除腐蝕厚度。對于涂層加強(qiáng)區(qū)域，假定涂層與鋼質(zhì)罐壁緊密粘合，無相對滑移，共同參與變形，可將其等效為成層復(fù)合材料，利用ANSYS的分層單元（Layer Element）來模擬，分別賦予鋼材和涂層的材料屬性。儲罐為壓力容器結(jié)構(gòu)，鋼質(zhì)罐壁可能發(fā)生屈服失效。涂層材料極限拉壓強(qiáng)度失效。

經(jīng)過初步評估，篩選出儲罐最危險的兩個區(qū)域（壁厚最薄和面積最大）并模擬，同時儲罐承受0.143 MPa操作壓力，并在支座處約束。

4.2 軟件計算結(jié)果

軟件計算結(jié)果包括位移和應(yīng)力，最大位移為1.2494mm，應(yīng)力結(jié)果匯總?cè)绫?所示。

校核UC值匯總?cè)绫?。

4.3 手工校核結(jié)果

對于軟件無法校核的涂層粘結(jié)應(yīng)力校核，則采用手工校核。結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和涂層粘結(jié)強(qiáng)度滿足要求，如表3所示。

5 ?結(jié)語

本項目的成功實施證明了有限元分析結(jié)果的合理和正確性，基于目前條件下的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和假定條件，通過對儲罐和涂層有限元模擬，分析結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和粘結(jié)強(qiáng)度，可以得到如下幾條結(jié)論：

（1）在目前狀態(tài)下，儲罐和涂層有足夠的強(qiáng)度承受0.143MPa的操作壓力。

（2）在目前狀態(tài)下，如果腐蝕區(qū)域內(nèi)鋼制罐壁失效，儲罐和涂層仍有足夠的強(qiáng)度和粘結(jié)力承受0.143MPa的操作壓力。

（3）在目前狀態(tài)下，如果腐蝕區(qū)域內(nèi)鋼制罐壁失效，腐蝕區(qū)域會出現(xiàn)較大變形（最大約25.156mm），可能會影響儲罐的正常使用狀態(tài)。

同時結(jié)合分析結(jié)論，給出以下幾條使用建議。

（4）嚴(yán)格控制儲罐操作壓力在0.143MPa下，而不是原設(shè)計壓力下。

（5）涂層半徑建議超過腐蝕半徑200mm及以上，厚度超過原壁厚5mm及以上。

（6）做好日常使用監(jiān)測和定期腐蝕厚度、涂層狀態(tài)等檢測，及時反映儲罐運行狀態(tài)。

（7）做好剩余壽命評估工作，保證儲罐在使用期內(nèi)有足夠的剩余壽命。

目前國內(nèi)針對高分子復(fù)合材料涂層修復(fù)效果評估技術(shù)研究較少，應(yīng)用也較少，希望本文的研究成果能夠為國內(nèi)高分子復(fù)合材料涂層修復(fù)效果評估提供借鑒意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 范建華，許慶余，孫秦，等.一種通用的計算復(fù)合材料剛度的有限元方法[J].工程力學(xué)，2002，19（4）：166-170.

[2] 丁坤英.利用有限元方法分析復(fù)合材料表面鋁涂層的結(jié)合性能[J].焊接技術(shù)，2011，40（11）：21-24.

[3] 賀子騰，張偉，馬萬鵬，等.微膠囊埋植型自修復(fù)涂層研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報，2018，32（S1）：305-311.