金屬內襯纖維纏繞復合材料壓力容器數值分析

張海洋

（西安石油大學，陜西　西安　710000）

金屬內襯纖維纏繞復合材料壓力容器數值分析

張海洋

（西安石油大學，陜西西安710000）

壓力容器設有金屬內襯及復合材料，解析了壓力容器內在的壓力數值。金屬內襯具有纏繞的纖維，考慮到復合材質選取的厚度及鋪設的角度。構建了材料模型，采納彈塑性根本理論用作解析復合材質的壓力容器。簡化了數值解析必要的模型，觀測內在的容器荷載變動。分析得到了與模擬模型彼此吻合的數值，表明解析的步驟是有效的。

金屬內襯；纖維纏繞；復合材料；壓力容器；數值分析

壓力容器配備的金屬內襯選取了纖維纏繞的工藝。纏繞纖維之后，依照描繪的應力變化曲線來判斷容器是否失效。固化工藝是必要的，但復合材質及容器內的金屬內襯有著差異較大的理化特性，也設定了不相等的纏繞參數。對此有必要辨析金屬內襯制作成的壓力容器數值，解析各個時點的變化數值。在這種基礎上，確保各層次的纏繞都符合了應力曲線，確保固化應有的實效性。

1　依照的根本原理

纖維纏繞狀態的金屬內襯可用作各類壓力容器，含有復合材質。固化處理選取了這類工藝，但要顧及復合狀態下的纏繞纖維特性、內襯的金屬性。在衡量差異同時，還應辨析固化反應下的各階段應力。現存的容器之中可劃分多層次的不等應力，數值構成了梯度。應力場并非均衡，這就增添了不夠均衡狀態下的材質固化，變形及測定的應力也將偏高。復合材料由此顯現了局部架構的纏繞纖維損傷，容器本體的承載屬性也將減低。

設定固化工藝，確保纏繞纖維擁有足夠的應力，加快了原本的固化速率。這樣做，減低了固化流程之中的容器質量弊病，杜絕制造缺陷［2］。最近幾年，較多學者都注重了復合材質制備成的壓力容器，探析內襯金屬的若干性能。依照的根本機理含有熱傳導機理、反應動力學、復合材料采納的原理。借助有限元解析衡量了固化進程附帶的應力變更。

2　數值分析的若干對象

2.1解析固化進程

內襯金屬容器配備的復合材質有著本身的承載特性及幾何屬性，辨析了壓力容器關聯的數據。解析工藝力學，假設為軸對稱。固化狀態代表著各時點的物理量，描述反應的總進程。化學反應釋放著某一比例熱能，因而篩選了某個時點以便于表述這個狀態下的化學熱能。構建傳導方程，求解獲取了熱源場針對于固化進程的詳盡分布。求解應能確保最優的收斂及穩定，解析數值借助于線性的局部思路。

2.2解析傳導性能

熱傳導有著瞬時的屬性，解析瞬時數值就應構建離散形態下的控制方程。針對于熱傳導，整合了時間及對應的空間域。選取了加權余量，在通用狀態下構建了可辨別的坐標系。熱傳導含有空間域特定的二維解析，設定了有限元必備的控制方程。在運算步驟中，構建了正定對稱矩陣，解析總體范圍內的溫度向量［3］。

考慮到熱源內在的精確密度、測定的邊緣熱流量、外在對流帶來的邊界溫度。離散了關系式，選取某一時間區域對應著空間域。給定插值函數，經過推導獲得了參量相應的關系式。模擬瞬時態勢下的熱傳導，要慎重篩選必備的參量。這是由于，參量關系著運算得出的真實精度、必要的運算耗費、容器的穩定性。實驗可以證實：選取設定好的時間步長，快速解析了熱傳導必備的數值，獲得了最優的傳導穩定性。

2.3判斷壓力容器是否失效

纖維纏繞層采納了復合材質，解析這一層表現出來的熱應力，這種進程要顧及非線性屬性。應力場有著瞬時的表征，辨析了溫度場之后，在選取的時間段之內運算了固化程度、相應的溫度場。依照即時狀態分布的溫度場即可得到精準的力學屬性。解析時，假定維持了恒定形態的力學屬性。運算選取了纖維材質本體擁有的力學特性、相關固化程度。起初及后續固化的進程中，辨析了精準的彈性模量。擴散至某一時點，纖維將顯現膠狀的表層。化學硬化應力松弛有著內在的競爭因子，假定纖維材質在各個方向都含有等同的屬性，運算得出了剪切模量。

運算的公式為：E/（v+1）*2。在這之中，E代表彈性模量，v代表競爭因子。觀察可以得知：纖維材質擁有較優的連續狀態，模型顯現了細微布設的力學表層。固化解析了數值，保溫及升溫步驟之內都可選取固化度關聯的函數。針對于后續冷卻，纖維將不再伴隨溫度而顯現任一變化。

2.4解析多類要素的耦合

固化工藝針對于復合屬性的內襯纖維，辨析工藝力學要考慮到積分，這種進程表現為非線性。解析工藝力學，要慎重辨析應力以及溫度、固化度的變化、耦合形態的應力場。例如：設定了動力學采納的固化方程，那么可借用時間及溫度以此來代表固化度。這樣做，代表著熱傳導在瞬態構造中關系到溫度及時間。解析復合材料，固化度及測定溫度顯示出較強形態的彼此耦合［4］。

采納迭代算法，解決了常態的耦合難題，這種基礎之上再去尋求分布的固化度及精確溫度。在計算應力時，纏繞纖維的復合材質都可用作代表溫度、時間等的函數。應力場擁有非線性的表征，可用作解析瞬態的特性。求解選取的完整進程可細分若干的段落，代表不同的時間。熱壓釜維持了恒定溫度，選取基體相的某些材質。保持力學屬性，探析了熱物理的特性。

3　分析的步驟

3.1構建幾何模型。設定了起初的彈性常數、各單元配備的熱學常數、熱膨脹的系數。K代表了時間步，起初設定為0。依照描繪出來的固化曲線，求解得出分布情形下的容器應力。

3.2針對于各個細化的節點，讀出精準的應力數值。依照應力的變更，算出了節點配備的精確固化度。依照固化數值，算出應力變化的總體速率。依照了細觀力學以便于衡量各單元配備的系數，辨析了熱膨脹、彈性的系數等。

3.3辨析了纏繞層內在架構的復合材質，衡量了熱膨脹特定的系數、內襯相關的彈性系數。在這時，k代表的時間步可設定為k+1。計算了熱應力，重復如上的步驟直至終結了固化的完整進程［5］。

4　選取解析的實例

忽視了流動的纖維，算出熱邊界設定的條件。內襯配備的上下表層給定了18及26的放熱系數。在加熱容器內，復合材質選取的中心點也在不斷變更固有的溫度數值。經過觀察得出：模擬結果吻合了實驗獲取的結果，這就表明壓力容器模擬數值是正確的。假定了完好的粘結界面，同時衡量了軸對稱的特性及容器幾何屬性。離散單元設定了對稱形態的節點，測定了22W/㎡特定的放熱系數。

起初溫度升高，容器外側超越了內側壓力，壓力沿著外側漸次傳遞至內側。纖維固化由此帶來了釋放的更多熱能，產生固化反應。在后期分析時，內襯還會逐漸升溫，由此超越了外側起初的壓力。評估了熱應力、內襯壓力的變更規律，對于評判壓力容器表現的使用性能有著必要性，辨別了徑向變更的壓力。

圖為應力曲線的變化

5　結語

數值解析給予動力學范圍內的固化反應機理、復合材料及應力變化的機理。設定了有限元分析，考慮了變更的內襯性質及分布狀態的應力。解析了典型數值，固化進展之中的分量應力可獲得必要的峰值。由此可以表明：固化選定的初期將會顯現峰值，代表著最大數值的應力分量。數值解析可提供更合適的工藝指標，針對于后續改進有著參照性。

［1］任明法，王榮國，陳浩然.具有金屬內襯復合材料纖維纏繞容器固化過程的數值模擬［J］.復合材料學報，2015（04）：118-124.

［2］陳浩然，任明法，王榮國.具有金屬內襯纏繞壓力容器成型全過程應力場分析［J］.大連理工大學學報，2012（06）：785-791.

［3］王榮國，赫曉東，胡照會等.超薄金屬內襯復合材料壓力容器的結構分析［J］.復合材料學報，2012（04）：131-138.

［4］吳耀楚，胡俊，李鵬.具有金屬內襯的纖維增強復合材料壓力容器的應力分析［J］.化工裝備技術，2013（05）：46-49.

［5］矯維成，楊帆，郝立峰等.含超薄金屬內襯輕量化復合材料壓力容器的設計與制備［J］.科技導報，2013（07）：18-22.

TB657.2

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1003-5168（2015）-12-0148-2