[发明专利]一种超高压多层缠绕复合材料气瓶的ANSYS仿真方法

说明书

本发明公开了一种超高压多层缠绕复合材料气瓶的ANSYS仿真方法，采用ANSYS仿真软件中的面结构壳单元，建立气瓶柱段筒体与等张力封头的结构模型，并采用Shell91单元进行网格剖分；Shell91单元的2个重叠的面元素分别模拟气瓶柱段筒体与等张力封头中的单层金属内衬层和多层纤维缠绕层；模拟多层纤维缠绕层的面元素包含多个层，层的定向角属性表征纤维缠绕层的缠绕角，厚度属性表征纤维缠绕层的等厚度或变厚度；采用三维结构体单元模拟复合材料气瓶中的接头。本发明能够提高仿真计算准确率，提升设计效率，为复合材料气瓶结构设计、优化提供数据支持，缩短研制周期、降低过程反复成本。

技术领域

本发明涉及仿真分析技术领域，具体涉及一种超高压复合材料气瓶多层缠绕的ANSYS仿真方法。

背景技术

在超高压复合材料气瓶设计完成后，需要对其设计结构在高压状态下的承压能力及形变情况进行仿真校核及结构修正，避免在结构不成熟的状态下进行高危试验验证操作及加工反复，由于气瓶加压后瓶体会发生不可预知的膨胀变形和伸长变形等，变形均发生在超高压状态，危险度较高，因此仿真模拟高压状态气瓶对其计算精度要求很高，仿真的准确性对产品研制尤为重要。

金属内衬纤维缠绕复合材料气瓶是在金属内衬外表面上沿子午线缠绕并通过环氧树脂粘黏的多层层合板结构，尤其在等张力封头位置各点的缠绕角不同、厚度渐变，材料各向异性，该缠绕特点采用传统计算方法及常规算法难以实现，这样为气瓶设计结构参数的计算和评估带来了难题，因此采用ANSYS模拟多层缠绕结构的仿真技术是一项更切实际的新领域关键攻关技术。

复合材料气瓶仿真分析的传统方法是采用材料各向同性的体单元结构，传统方法存在的不足如下：在建模中只能体现出简单的气瓶瓶体单一结构；无法体现金属内衬纤维缠绕气瓶各位置点的缠绕角；无法反映出多层子午线缠绕线型分布；只能反映出气瓶整体厚度，层与层间的渐变厚度无法体现；材料采用各向同性，非各向异性，无法表征纤维方向与树脂基体方向极大的强度差异；建模过程缓慢，计算效率低下，严重阻碍了产品结构设计；整体建模未能真实反映出产品实际多层缠绕线型分布，计算结果与实测值相差较大。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种超高压复合材料气瓶多层缠绕的ANSYS仿真方法，能够提高仿真计算准确率，提升设计效率，为复合材料气瓶结构设计、优化提供数据支持，缩短研制周期、降低过程反复成本。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的。

一种超高压多层缠绕复合材料气瓶的ANSYS仿真方法，采用ANSYS仿真软件中的面结构壳单元，建立气瓶柱段筒体与等张力封头的结构模型，并采用Shell91单元进行网格剖分；Shell91单元的2个重叠的面元素分别模拟气瓶柱段筒体与等张力封头中的单层金属内衬层和多层纤维缠绕层；模拟多层纤维缠绕层的面元素包含多个层，层的定向角属性表征纤维缠绕层的缠绕角，厚度属性表征纤维缠绕层的等厚度或变厚度；采用三维结构体单元模拟复合材料气瓶中的接头。

优选地，在面结构壳单元与实体结构体单元这两单元的交接处，采用节点自由度耦合效应实现等张力封头与接头间不同单元的衔接及等应力传递。

优选地，在气瓶柱段筒体部分，纤维铺层沿子午线呈螺旋向缠绕和环向缠绕交替层叠；面元素中层的定向角属性表征相应纤维缠绕层的相同缠绕角，层的厚度属性表征相应纤维缠绕层的等厚度。

优选地，在气瓶等张力封头部分，纤维铺层沿子午线呈螺旋向缠绕；根据纤维缠绕角及层厚度随等张力曲面纬度圆半径变化的结构，计算并赋予每个层相应的定向角和层厚度。

优选地，仿真过程为：

步骤1、按照气瓶单层金属内衬的外表面尺寸，采用面结构壳单元建立气瓶柱段筒体与等张力封头的结构模型，确保单层金属内衬层和多层纤维缠绕层共用一个面；按照气瓶接头尺寸，采用体单元Solid建立气瓶接头结构；等张力封头与接头相接处通过共线连接；