一種帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及復(fù)合材料管設(shè)計(jì)領(lǐng)域，尤其涉及一種帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì) 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 目前，我國(guó)對(duì)于復(fù)合材料管的設(shè)計(jì)主要應(yīng)用工程算法。即根據(jù)復(fù)合材料管的工作 情況，應(yīng)用厚壁圓筒理論和強(qiáng)度理論，建立復(fù)合材料管的彈性強(qiáng)度極限關(guān)系式。但是，由這 些關(guān)系式所確定的復(fù)合材料管強(qiáng)度與實(shí)際工作時(shí)復(fù)合材料管的強(qiáng)度有一定差別。另外，對(duì) 于自緊的復(fù)合材料管還存在自緊殘余應(yīng)力以及復(fù)合材料在纏繞過程中產(chǎn)生的高溫固化殘 余應(yīng)力等，這些力的作用極其復(fù)雜。因此，以往基于各向同性假設(shè)的復(fù)合材料管工程計(jì)算方 法并不能準(zhǔn)確地對(duì)復(fù)合材料管進(jìn)行計(jì)算分析和設(shè)計(jì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 一、要解決的技術(shù)問題
[0004] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)所存在的上述問題，特提供一種帶溝槽的復(fù)合材料 管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用Solidworks軟件建立復(fù)合材料管的三維實(shí)體模型，利用ANSYS軟 件將建立的復(fù)合材料管三維實(shí)體模型生成有限元模型，并完成對(duì)復(fù)合材料管的壁厚、鋪層 角度和方式準(zhǔn)確分析和設(shè)計(jì)，以克服工程算法不能準(zhǔn)確計(jì)算設(shè)計(jì)復(fù)合材料管的現(xiàn)狀。
[0005] 二、技術(shù)方案
[0006] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，所 述方法包括：
[0007] 步驟S1，選定復(fù)合材料管的壁厚，建立該復(fù)合材料管三維實(shí)體模型；
[0008] 步驟S2,通過ANSYS軟件對(duì)復(fù)合材料管三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元 豐旲型；
[0009] 步驟S3,設(shè)置復(fù)合材料管模型的材料參數(shù)、施加邊界條件與力載荷；
[0010] 步驟S4,通過ANSYS軟件對(duì)生成的有限元模型進(jìn)行有限元計(jì)算，生成復(fù)合材料管 的總變形分布圖；
[0011] 步驟S5,根據(jù)復(fù)合材料管的總變形分布圖校核其剛度，判斷復(fù)合材料管厚度的合 理性。
[0012] 其中，在上述的帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，所述步驟Sl中，使用 Solichrorks軟件建立該復(fù)合材料管三維實(shí)體模型。
[0013] 其中，在上述的帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，所述步驟S2包括：通過 ANSYS軟件設(shè)定復(fù)合材料管三維實(shí)體模型的單元類型、網(wǎng)格形狀和單元階次，并確定其網(wǎng)格 尺寸，以壁厚與纏繞角為重要幾何參數(shù)，對(duì)復(fù)合材料管三維實(shí)體模型進(jìn)行自動(dòng)分網(wǎng)，生成有 限元模型。
[0014] 其中，在上述的帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，所述復(fù)合材料管三維實(shí) 體模型中復(fù)合材料層網(wǎng)格劃分使用ANSYS軟件中的八節(jié)點(diǎn)S0LID46三維層狀體單元，該單 元每個(gè)節(jié)點(diǎn)有三個(gè)自由度。
[0015] 其中，在上述的帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，所述復(fù)合材料管模型的 材料采用E-玻璃纖維與S-玻璃纖維混雜/熱塑性聚苯硫醚，該復(fù)合材料管模型單向復(fù)合 材料纏繞等效縱向模量40Gpa。
[0016] 其中，在上述的帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法中，所述施加邊界條件與力 載荷滿足：
[0017] 在復(fù)合材料管模型上取三個(gè)約束位置，將每個(gè)約束位置與坐標(biāo)原點(diǎn)的距離 定義成變量，分別為consl、cons2、cons3,并將模型外表面處于（consl, consl+20)、 (cons2, cons2+20)、（cons3, cons3+20)三個(gè)區(qū)間內(nèi)節(jié)點(diǎn)的Ux、Uy、Uz約束住；將復(fù)合材料管 模型兩端水平固定在支架上，在兩支座中間位置對(duì)管體懸掛IOOkg重物，管體的撓度不大 于 I. 5mm〇
[0018] 三、本發(fā)明的有益效果
[0019] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的一種帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，利用 Solidworks軟件建立復(fù)合材料管的三維實(shí)體模型，利用ANSYS軟件將建立的復(fù)合材料管三 維實(shí)體模型生成有限元模型，并完成對(duì)復(fù)合材料管的壁厚、鋪層角度和方式準(zhǔn)確分析和設(shè) 計(jì)。
[0020] 在本發(fā)明中，使用有限元分析工具可大幅減少以往工程算法過多的簡(jiǎn)化假設(shè)，可 以考慮外表面圓錐面、螺紋、槽溝、內(nèi)表面錐面等實(shí)際結(jié)構(gòu)因素，因而與產(chǎn)品實(shí)際力學(xué)性能 吻合更好，同時(shí)可有效解決包含各向異性材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)以及熱效應(yīng)影響問題。另外，在設(shè)計(jì) 進(jìn)行的同時(shí)就能對(duì)復(fù)合材料管的動(dòng)態(tài)受力性能進(jìn)行仿真評(píng)估，減少不必要的大量全尺寸試 樣制作，降低設(shè)計(jì)成本，縮短設(shè)計(jì)周期，進(jìn)而確保系統(tǒng)技術(shù)方案設(shè)計(jì)的可行性、先進(jìn)性。
【附圖說明】
[0021] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例中Solidworks軟件建立的復(fù)合材料管三維實(shí)體模型；
[0022] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例的帶溝槽的復(fù)合材料管的有限元模型圖；
[0023] 圖3為圖2的A部放大圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] 下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的【具體實(shí)施方式】作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施 例用于說明本發(fā)明，但不能用來限制本發(fā)明的范圍。
[0025] 本發(fā)明的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法可廣泛應(yīng)用于復(fù)合材料管的設(shè)計(jì)中，此方法可大幅減少以 往工程算法過多的簡(jiǎn)化假設(shè)，可以考慮外表面圓錐面、螺紋、槽溝、內(nèi)表面錐面等實(shí)際結(jié)構(gòu) 因素，因而與產(chǎn)品實(shí)際力學(xué)性能吻合更好，同時(shí)可有效解決包含各向異性材料復(fù)雜結(jié)構(gòu)以 及熱效應(yīng)影響問題。
[0026] 本實(shí)施例的帶溝槽的復(fù)合材料管的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括：步驟S1，選定復(fù)合材料管 的壁厚，建立該復(fù)合材料管三維實(shí)體模型；步驟S2,通過ANSYS軟件對(duì)復(fù)合材料管三維實(shí)體 模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元模型；步驟S3,設(shè)置復(fù)合材料管模型的材料參數(shù)、施加邊界 條件與力載荷；步驟S4,通過ANSYS軟件對(duì)生成的有限元模型進(jìn)行有限元計(jì)算，生成復(fù)合材 料管的總變形分布圖；步驟S5,根據(jù)復(fù)合材料管的總變形分布圖校核其剛度，判斷復(fù)合材 料管厚度的合理性。
[0027] 下面以某復(fù)合材料管為例，結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法做出具 體說明。
[0028] 某復(fù)合材料管的主要參數(shù)：
[0029] 復(fù)合材料管幾何尺寸：內(nèi)徑Φ I = 120mmX長(zhǎng)度3050mm。溝槽幾何尺寸為 9_X9mm，溝槽纏角為2° 3(V，左旋。
[0030] 復(fù)合材料管本體材料：復(fù)合材料采用E-玻璃纖維與S-玻璃纖維混雜/熱塑性聚 苯硫醚（PPS)，復(fù)合材料管單向復(fù)合材料纏繞等效縱向模量40GPa。
[0031] 臨界設(shè)計(jì)重量彡14kg。
[0032] 上述復(fù)合材料管主要由管體、溝槽兩部分組成，其優(yōu)化設(shè)計(jì)方法包括如下步驟：
[0033] 步驟S1，選定壁厚（以3. 5mm為例），利用Solidworks軟件建立如圖1所示的復(fù) 合材料管三維實(shí)體模型。
[0034] 步驟S2,通過ANSYS軟件對(duì)復(fù)合材料管三維實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分，生成有限元 模型。
[0035] 具體地，分別對(duì)選定壁厚的復(fù)合材料管，以30°、15°、10°、5°、2. 5°纏繞角，建 立復(fù)合材料管有限元模型。
[0036] 由于復(fù)合材料管并不復(fù)雜，可以將其簡(jiǎn)化成殼體，也可按照實(shí)體處理，但是由于本 模型溝槽中倒角的存在，使單元的選擇受到限制，使用殼單元時(shí)，當(dāng)離散后的單元厚度t與 殼體的最小曲率半徑r的比大于1/5時(shí)，單元發(fā)生畸變，因此選擇層合實(shí)體單元。ANSYS軟 件中有solid46和solidl91兩種層合實(shí)體