-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-基于ISO11439標準及ANSYS平臺的CNG氣瓶有限元應力分析岳中第馬寧劉彬（北京航空制造工程研究所，100024）摘要：本文針對鋁膽復合材料氣瓶設計與制造過程中提出的有限元應力分析問題，根據ISO11439標準，對若干關鍵技術進行了綜述和研究，突出的應用成果說明了這些技術的可靠性與實用性。1CNG氣瓶設計及其應用背景氣瓶作為一種沒有固定使用地點和環(huán)境、無專職使用和操作人員的特殊壓力容器，已經在國內外得到了廣泛的研究和應用。突出的范例有醫(yī)護領域的自救呼吸裝置及數(shù)以百萬計的各類公交汽車用的壓縮天然氣氣瓶。其中，復合材料纏繞氣瓶是用鋼膽或鋁膽作為內襯，外面用高強度纖維復合材料纏繞制成，具有良好的抗疲勞、抗晶間腐蝕性能，且有較輕、便于搬運及應用等優(yōu)點。目前，發(fā)達國家已有300多萬只復合材料纏繞氣瓶在安全的使用著。傳統(tǒng)工程意義的“薄膜理論”，“網格理論”，對復合材料氣瓶的設計與分析計算，已不能滿足要求。氣瓶作為一種特殊的壓力容器，在安全性、穩(wěn)定性及可靠性等性能評定方面，根據ISO11439國際標準的要求，有嚴格的設計、制造、實驗及性能驗證的規(guī)范。本文涉及的CNG-3型氣瓶，是ISO11439標準中其制造技術最為復雜的一種，內膽材料為鋁，纖維全纏繞。目前，鋁內膽的設計與制造工藝，國內外已經形成十分先進與穩(wěn)定的專利技術。作者針對全纏繞的CNG-3型氣瓶，進行了材料非線性有限元分析方面的探索，并充分利用ANSYS的二次開發(fā)平臺，開發(fā)了適合CNG-3等類型氣瓶在各種壓力工況下的應力分析與性能評定的軟件，從而能夠準確、快速、方便地確定復合材料氣瓶是否符合工程應用環(huán)節(jié)的要求。2對CNG-3型氣瓶進行應力分析的若干關鍵技術根據設計制造CNG-3型氣瓶的基本實踐，我們必需面對并真正解決若干關鍵技術問題。2.1ISO11439對復合氣瓶的應力分析要求根據ISO11439國際標準，此類氣瓶總體上被分為四類，即CNG-1，CNG-2，CNG-3和CNG-4。其中，CNG-1指全金屬型氣瓶；CNG-2指金屬內襯纖維纏繞浸漬樹脂型氣瓶，其纖維纏繞方向只是周向單向纏繞；CNG-3也指金屬內襯纖維纏繞浸漬樹脂型氣瓶，但其纖維纏繞方向是全方向的；CNG-4指非金屬內-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-襯纖維纏繞型氣瓶，即全復合材料氣瓶（如內襯為塑料材料）。根據我們的理解，對于CNG-3，ISO設計規(guī)范的基本要求為：建立可用的材料非線性分析方法與流程；建立正確的材料非線性的彈-塑性、應力-應變模型；建立全纏繞狀態(tài)的復合材料機械性能參數(shù)計算方法；建立多纖維纏繞層或不同纖維材料構成的材料本構方程與平衡方程；分析纖維纏繞張力作用下的預應力；不同壓力工況的應力分析；必須進行緊縮壓力、零壓力、工作壓力、水壓試驗壓力、最小爆炸壓力等工況下的材料非線性應力計算；最大的缺陷尺寸，應能確保在循環(huán)壓力工況下的安全可靠性，同時可保證LBB性能（爆炸前先泄露）。2.2鋁膽與復合材料纏繞層的組合模型對于鋁膽復合材料氣瓶，其外部纖維纏繞層是由高強度增強纖維及其基體，如玻璃纖維/環(huán)氧樹脂、有機纖維/環(huán)氧樹脂及碳纖維/環(huán)氧樹脂等纏繞而成的。因此，它們具有比強度大、比剛度高等諸多的優(yōu)點。在高壓下，鋁膽很快進入塑性，而纖維增強復合材料還在彈性狀態(tài)。實驗表明，這種組合模型至少在一個材料方向上呈現(xiàn)出應力-應變關系的非線性。同時，石墨纖維/環(huán)氧樹脂、Kevlar纖維/環(huán)氧樹脂及硼纖維/環(huán)氧樹脂具有相當高的剪切非線性；硼纖維/鋁復合材料具有相當高的橫向或剪切非線性；碳/碳復合材料在各材料主軸方向均存在著較高的非線性等。這種非線性主要是由于基體性能的非線性和在受載過程中所產生的損傷缺陷引起的，它與基體的種類、纖維的形態(tài)、復合體積比率、纖維纏繞方向及承受載荷形式有關。顯然，這是一個復合材料本構關系問題，通過應力-應變的物理非線性表現(xiàn)出來。如何準確地描述本構關系，對于我們能否較精確地進行力學分析和結構設計是非常重要的。材料非線性是指材料本構關系的非線性。若不考慮變形對材料的影響，平衡方程簡化成線性，同時應變和位移的關系也是線性的，這就是小彈塑性問題。在塑性區(qū)域內，應力和應變之間不存在彈性范圍的廣義虎克定律。塑性變形的過程是不可逆的，變形功部分轉化為熱能，最后狀態(tài)的應力與變形途徑有關。2.3預應力結構與材料非線性正確應用預應力技術，是纖維纏繞復合材料氣瓶的一個顯著特點，也是氣瓶應力分析中的一個重要環(huán)節(jié)。預應力結構形式是在60年代由預應力鋼絲纏繞結構發(fā)展起來的。隨著航空航天工業(yè)的發(fā)展，以及許多部門如原子能工業(yè)中的高速離心機和導彈武器系統(tǒng)等對機械結構高強度、低重量和高可靠性方面提出了更高的要求，碳纖維等非金屬材料纏繞式預應力結構得到快速的發(fā)展和應用。預應力容器的基本力學特點是，內壁是其強度最薄弱之處，起關鍵作用的是切向拉應力，而徑向壓縮應力恒等于內壓之負值，這是無法改變的。預應力容器的基本設計思想，就是在內壁預先建立一種切向壓應力預應力，和拉伸的工作切向應力疊加，以大大減少甚至于完全消除切向拉應力，在合成狀態(tài)建立起切向壓應力或壓應變。這樣，就帶來一系列靜強度和疲勞強度上的優(yōu)點，它們是：材料的不同力學性能得到充分發(fā)揮；承載能力大；抗疲勞強度高；-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-安全可靠，無爆炸危險。2.4金屬材料雙線性各向同性強化模式圖1鋁膽的Bauschinger效應鋁膽復合材料氣瓶應力分析的的關鍵性技術之一，是實現(xiàn)鋁膽復合材料氣瓶的材料非線性有限元分析。鋁膽復合材料氣瓶在設計中充分利用了結構的材料非線性特點，通過自緊壓力（AUTOFRETTAGE）的拉伸,使金屬鋁膽達到屈服狀態(tài)，產生塑性效應（即Bauschinger效應），但外層纏繞的復合材料由于高強度而處在線性變形狀態(tài)。當結構進行卸載至零壓力，鋁膽因塑性變形不能恢復原始狀態(tài)，受到外層材料的緊縮壓力，產生了自緊應力。圖1表明了鋁膽的Bauschinger效應，拉伸方向的屈服應力增加，導致后繼的壓縮屈服應力在數(shù)量上降低，因此屈服應力高低之間存在2y的差異。這種材料雙線性各向同性強化模式代表了應力應變曲線以及VonMises的屈服準則。2.5ANSYS與數(shù)值模擬技術許多工程分析問題，都歸結為在給定邊界條件下求解它們的控制方程（常微分方程或偏微分方程）的問題。但是，能用解析方法求出精確解的只有方程性質比較簡單，且?guī)缀芜吔缦喈斠?guī)則的少數(shù)問題。對于大多數(shù)的工程技術問題，由于物體的幾何形狀復雜或者問題的某些特征是非線性的，則很少有解析解。因此，人們在廣泛吸收現(xiàn)代數(shù)學、力學理論的基礎上，借助于現(xiàn)代高速計算機來獲得滿足工程要求的數(shù)值解，這種數(shù)值模擬技術是現(xiàn)代工程學形成和發(fā)展的最重要推動力之一。有限元法作為工程應用中的一種最重要的數(shù)值模擬技術的地位越來越得到人們的公認。ANSYS系統(tǒng)是國際上最具知名度的有限元分析軟件之一，也已作為我國壓力容器標準委員會推薦的基礎軟件之一，用于壓力容器性能分析與評定。它不僅是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型通用有限元分析軟件，而且還為用戶提供了一個不斷改進功能的二次開發(fā)平臺，具體包括：結構高度非線性分析、電磁分析、計算流體動力學分析、優(yōu)化設計、接觸分析、自適應網格劃分、大變形/有限轉動功能以及利用ANSYS參數(shù)設計語言（APDL）的擴展宏命令功能。AABy拉伸O2y壓縮B-專業(yè)文檔，值得下載!-專業(yè)文檔，值得珍藏！-FEACAC（TheFiniteElementAnalysisfortheCylinderofAluminum-linerwithComposites），便是在ANSYS二次開發(fā)平臺發(fā)展的，它使CNG的設計分析與性能評定完全實現(xiàn)了三“化”（通用化、系列化、參數(shù)化），成為CNG快速設計與性能評定的重要基礎手段。3基于ISO11439及ANSYS的FEACAC開發(fā)國際上先進的CNG設計制造商提供的EPDRP技術報告（EngineeringPreliminaryDesignReviewPackage）表明，對復合材料氣瓶進行有限元應力分析計算是氣瓶設計最重要的基礎技術。其中，七種工況（自緊壓力、零壓力、工作壓力、實驗壓力、最小爆炸壓力等）的結構非線性應力分析，是設計的核心關鍵技術，也是CNG-3國際標準認證所要求的基本技術環(huán)節(jié)。我們在ANSYS二次開發(fā)平臺上發(fā)展的FEACAC，包括了三個宏程序包。它們是：（1）ALUM-專用于金屬內膽的參數(shù)化FEA宏程序；（2）COMP_M-專用于金屬膽復合氣瓶方案設計的參數(shù)化FEA宏程序；（3）COMP-專用于金屬膽CNG-3型復合氣瓶整體強度校核的參數(shù)化FEA宏程序。FEACAC這些宏程序包分別為鋁膽設計及旋壓加工、復合氣瓶方案設計與優(yōu)化、性能評定與應力校核開發(fā)的。圖2給出了FEACAC的運行處理流程。圖2FEACAC處理流程其中，框1是用APDL語言開發(fā)的FEACAC宏程序庫，自動產生FEA幾何模型，并建立各壓力工況的載荷模型與邊界約束條件?？?建立了有效的結構非線性流程，及選擇了合適的求解大型稀