復合材料壓力容器封頭連接的建模及失效分析

王冰冰，林木，孟祥瑞

(大連海洋大學，遼寧 大連 116023)

0 引言

復合材料具有較高的比強度與比剛度，在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用非常廣泛[1-3]。在復合材料結(jié)構(gòu)件的應(yīng)用中存在各種結(jié)構(gòu)連接，并且這些結(jié)構(gòu)件的失效大多發(fā)生在連接位置上。封頭連接位置的強度對于整個壓力容器的耐久性及穩(wěn)定性意義重大。因此，復合材料壓力容器封頭連接的破壞過程分析及失效機理研究是復合材料工程應(yīng)用過程的重要問題[4]。目前，國內(nèi)外研究人員對于復合材料壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)的失效分析大多采用有限元分析方法。有限元分析的原理主要是通過材料退化建模及非線性方程求解[5]。在有限元漸進損傷分析原理方面，崔浩等[6]、PISANO A A等[7]通過研究復合材料接頭損傷破壞，發(fā)現(xiàn)復合材料接頭主要是剪切和拉斷失效。黃河源等[8]研究了非線性面內(nèi)損傷，并提出了三維混合失效模型，可將其用于模擬復合材料厚板螺栓連接的失效過程。綜上所述，有限元分析方法已廣泛用于復合材料連接結(jié)構(gòu)失效的研究過程中。因此，為了對復合材料壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)進行合理性研究，本文采用有限元分析軟件ANSYS建立實驗模型并對其進行計算仿真，從而分析復合材料壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)的破壞形式和失效強度，為復合材料壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)的設(shè)計提供理論依據(jù)。

1 研究方法

1.1 壓力容器封頭材料與結(jié)構(gòu)

該航空飛行器壓力容器封頭(以下簡稱為封頭)采用國內(nèi)某復合材料，材料彈性模量等參數(shù)根據(jù)壓力容器封頭試樣的性能試驗確定，等效彈性模量為45 GPa、泊松比為0.29。其壓力容器封頭結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 壓力容器封頭結(jié)構(gòu)

該封頭是使用沿圓周方向28個均布孔通過螺栓連接實現(xiàn)與堵蓋之間安裝和固定的，屬圓周對稱結(jié)構(gòu)，因此在分析過程中為了減少計算量并對模型進行簡化，選取1/14扇形區(qū)域進行分析。封頭連接的強度不僅會受材質(zhì)強度的影響，同時也會受結(jié)構(gòu)尺寸效應(yīng)、預緊力、搭接形式、螺栓選擇、端徑比等因素影響。因此在封頭與螺栓的連接螺套采用臺階形式設(shè)計，這種結(jié)構(gòu)能更好地承受螺栓的軸向載荷。封頭鏈接形式如圖2所示，其中堵蓋、螺栓、螺套的材料為30CrMnSiA，等效彈性模量為205 GPa、泊松比為0.25。

圖2 壓力容器封頭的鏈接形式

1.2 壓力容器封頭有限元模型

通過ANSYS有限元分析軟件建立封頭連接結(jié)構(gòu)的有限元模型。網(wǎng)格采用四面體、六面體類型，單元尺寸分別是3 mm、5 mm 和 4 mm。如圖3所示共有43 871 個單元，32 256個節(jié)點，材料屬性按照上文提到的分別對封頭、堵蓋、螺栓、螺套進行材料設(shè)置。邊界條件如圖4所示，為封頭外表面固定，并在兩側(cè)施加對稱邊界條件；堵蓋的下表面與封頭的上表面添加面接觸摩擦系數(shù)為0.02。

圖3 封頭螺栓連接網(wǎng)格模型

圖4 載荷和邊界條件示意圖

承壓分析過程按照美國材料實驗學會測試標準ASTMD6742執(zhí)行[9]。為了測試復合材料壓力容器封頭結(jié)構(gòu)的強度，根據(jù)實際工作中堵蓋承受10.2 MPa壓力，本文模擬了兩種工況：其一，根據(jù)實際工作壓力對堵蓋內(nèi)表面施加內(nèi)壓10.2 MPa；其二，對堵蓋內(nèi)表面進行15%的過載施加內(nèi)壓14.1 MPa，進行計算。

2 結(jié)果與討論

2.1 壓力容器內(nèi)壓10.2 MPa計算結(jié)果

壓力容器封頭在10.2 MPa內(nèi)壓的作用下，頂蓋中心位置拱起的最大位移約為2.5 mm。連接螺栓承受拉彎耦合作用，在螺栓端頭帽下方發(fā)生了塑性變形，最大塑形應(yīng)變?nèi)鐖D5所示，為1.42%。在鋼螺套與封頭連接區(qū)內(nèi)，兩個臺階部位主要承受來自螺栓的拉彎載荷。通過分析可以發(fā)現(xiàn)封頭與鋼螺套的連接部位受力并不均勻，靠近外側(cè)應(yīng)力較大，從軸向應(yīng)變數(shù)據(jù)來看，螺套連接處的上臺階面附近拉應(yīng)變約為4 600 με。

圖5 內(nèi)壓10.2 MPa作用下整體位移分布

2.2 壓力容器內(nèi)壓14.1 MPa計算結(jié)果

壓力容器封頭在14.1 MPa內(nèi)壓作用下，頂蓋中心位置拱起的最大位移約為3.5 mm。連接螺栓主要承受拉彎耦合作用，在螺栓端頭帽下方發(fā)生了塑性變形，最大塑形應(yīng)變?nèi)鐖D6所示，為3.4%。鋼螺套與封頭連接區(qū)，兩個臺階部位主要承受來自螺栓的拉彎載荷。通過分析可以發(fā)現(xiàn)壓力容器封頭與鋼螺套的連接部位受力并不均勻，靠近外側(cè)應(yīng)力較大，螺套連接處的臺階面附近拉應(yīng)變約為6 200 με。

圖6 內(nèi)壓14.1 MPa作用下整體位移分布

2.3 壓力容器封頭的破壞模式

復合材料連接的擠壓失效是發(fā)生在局部的失效，不會引起大面積崩潰失效，相對來講是較為安全的失效形式。因此，在復合材料螺栓結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，應(yīng)盡可能地使用構(gòu)件發(fā)生擠壓失效或包含擠壓失效的組合失效模式，從而保證結(jié)構(gòu)件具有較高的穩(wěn)定性和安全性[10]。如圖7所示，在壓力容器封頭承壓對比實驗中，螺栓連接的軸向應(yīng)變隨內(nèi)壓的增加逐漸變大，強度破壞風險也逐漸增加。

圖7 壓力容器應(yīng)變分布對比

3 結(jié)語

通過有限元分析方法研究壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)的失效過程，分析復合材料壓力容器封頭連接的失效機理，發(fā)現(xiàn)其中螺栓強度、材料強度以及螺栓寬徑比等因素，均會對壓力容器封頭的失效過程產(chǎn)生影響，以此可為壓力容器封頭連接結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一種理論參考依據(jù)。

1)壓力容器封頭的臺階式螺套傳力較為合理，該結(jié)構(gòu)形式不容易從基體中拉脫，是較為合理的結(jié)構(gòu)形式。

2)壓力容器封頭在10.2 MPa內(nèi)壓作用下，螺栓塑形應(yīng)變?yōu)?.42%，塑性區(qū)占整個剖面的比例較小，無強度風險。封頭與螺套的連接區(qū)，靠近上臺階附近軸向應(yīng)變約為4 600 με。

3)壓力容器封頭在14.1 MPa內(nèi)壓作用下，螺栓塑形應(yīng)變?yōu)?.4%，塑性區(qū)基本貫穿整個剖面，螺栓有一定強度破壞風險。封頭與螺套的連接區(qū)，靠近上臺階附近軸向應(yīng)變約為6 200 με。