基于CATIA的壓力容器封頭復合材料應用分析

黑龍江工程學院 汽車與交通工程學院 呂德剛 侯志平 龔子棋 楊敏

在化工設備中，一些容器的功能需要通過頻繁啟閉來實現，同時還需要能承受一定的工作壓力，通常情況下，這些壓力容器封頭都是金屬制造的，因此在設計過程中，主要考慮其變形量的大小，復合材料的應用，不但能減小其變形量，還能降低其傳熱性、減輕重量，對于提高壓力容器封頭的性能有較大幫助。

一、前言

CATIA被廣泛用于航空、航天、汽車和模具等領域。無論是在零件設計、復合材料分析、應力分析等方面，都有較強的處理能力。該軟件的主要優勢在于，它能在滿足零件設計要求的基礎上，充分優化設計方案。可以精確、方便地建立、修改3D幾何模型。同時還擁有處理復雜曲線和曲面的能力，與應力分析、運動分析組合在一起，極大地增加了裝配件的設計速度，可擴展性極好，有利于后續改進設計。

二、封頭的三維設計

對于壓力罐體來說，其上安裝的封頭一般都采取了傳統的螺栓加彈性墊片連接方式。而且傳統壓力容器都是鋼制的，近年來隨著復合材料的迅猛發展，其強度、剛度完全可以代替鋼制容器，復合材料還有質量輕、不易生銹等優點，獲得了廣泛青睞。

本文利用CATIA設計軟件對某復合材料模壓方形蓋體進行結構優化設計及模具設計。圖1為某復合材料方形蓋體的結構示意圖，該復合材料方形蓋體形狀復雜，要求將均布6點固定，內部承受特定壓力的情況下，圓角尺寸對于封頭的變形影響較大。因空間所限及罐體的配合要求，封頭的高度、直徑無法改變，在此初設圓滑過渡角R100，只要變形尺寸小于0.1mm，受壓后應力極限滿足材料的安全要求即可。

圖1 過渡角初選

圖2 封頭外形圖

1、 封頭三維建模

根據圖1所示的結構，利用CATIA設計軟件中的零部件設計模塊建立三維實體模型（圖2）。

2、定義材料屬性

進入CATIA軟件中的Composit Design（復合材料設計）模塊，點擊增加材料按鈕，打開相應材料庫，如圖3所示。設定封頭材料為GLASS，如圖4所示。將材料參數輸入復合材料屬性對話框Composits Parameter中。如圖5所示，在對話框內設定材料參數，分別為（0，0）、（45，45）、（-45，-45）、（90，90）。設置完成后點擊確定，目錄樹上同時出現相應參數設置，如圖6所示。

圖3 添加材料庫

圖4 復合材料選擇

圖5 復合材料設置

圖6 復合材料參數

三、有限元分析

1、網格劃分

進入CATIA設計軟件中的Generative Structural Analysis（有限元結構分析）模塊中，使用高級網格劃分工具進行網格劃分，如不手動劃分網格，系統即自動劃分網格，本設計采取自動劃分方式。

2、約束與加載

首先對封頭模型進行約束，對螺栓孔所在平面設定夾持Clamp約束，施加載荷在Loads（載荷）工具欄內的Pressure（壓強）對話框中輸入30000N_m2（N/m2），在方形蓋體模型內部施加0.03MPa的均勻壓力載荷，約束及加載標志如圖7、圖8所示。

3、計算結果與分析

約束和加載完成后，點擊Compute（計算）工具便可對模型進行計算，計算結束后，點擊“位移顯示”圖標，顯示出變形量的位置、方向和大小，具體數值如圖9所示。可見最大變形位置在頂部，最大變形量為0.0221mm。

圖7 復合材料選擇

圖8 復合材料設置

同時還應進行應力分析，防止復合材料不能滿足壓力載荷下的安全性需要。對模型進行馮米斯應力分析，應力圖如圖10所示。

圖9 復合材料參數

圖10 復合材料參數

從圖10中可以看出，最大應力處于頂端，僅2.49MPa，玻璃纖維的強度高達數千兆帕，故安全性能完全能夠保證。

四、結語

采用CATIA軟件多個模塊組合進行的壓力容器封頭設計成功，所設計的復合材料封頭，具有質量輕、變形小、不易導熱的特點。隨著新技術的普及和應用，部分傳統的加工方式也必須不斷更新，使用復合材料代替傳統材料是完全可行的。CATIA作為在三維設計領域的一種專業軟件，在零件受力分析、復合材料應用等方面，都有較強的處理能力，可以在各種創新設計中廣泛應用。