一种超高压多层缠绕复合材料气瓶的ANSYS仿真方法技术

本发明专利技术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。本发明专利技术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。

A ANSYS simulation method for a super high pressure multilayered composite gas cylinder

The invention discloses a ANSYS simulation method of ultra high pressure multilayer wrapped composite cylinder shell structure, uses ANSYS simulation software in the unit structure model of cylinder and cylinder column section and tension head, and using Shell91 element mesh; 2 Shell91 unit overlapping elements were simulated cylinders the column cylinder and the tension head in the single metal lining layer and multilayer fiber winding layer; simulation of the filament wound surface element layer comprises a plurality of layers, layer orientation property characterization of fiber winding layer of the winding angle, the thickness of the attribute table sign fiber winding layer such as the thickness or variable thickness; three dimensional structure to simulate the joint in composite cylinders. The invention can improve the accuracy of simulation calculation, improve the design efficiency, provide data support for the structural design and optimization of composite cylinders, shorten the development cycle and reduce process repeated costs.

【技术实现步骤摘要】
一种超高压多层缠绕复合材料气瓶的ANSYS仿真方法
本专利技术涉及仿真分析
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术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，本专利技术是这样实现的。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；步骤2、定义面元素为单层金属内衬的属性参数，对气瓶壳体面结构采用Shell91单元进行网格剖分，确保每个剖分单元的单元坐标系方向一致，同时使面元素厚度向内侧厚度延伸，表征单层金属内衬的单层结构和厚度；定义体元素为接头的属性参数，对气瓶接头体结构采用Solid95单元进行网格剖分；步骤3、复制气瓶柱段筒体和等张力封头的所有面元素，与步骤2划分好的面元素重叠，设置复制面元素的属性参数为多层纤维缠绕层的参数，同时使面元素厚度向外侧厚度延伸，表征多层纤维缠绕层的多层结构和厚度；步骤4、为气瓶柱段筒体多层纤维缠绕层的面元素中每一层赋予固定的定向角和厚度；对于等张力封头多层纤维缠绕层的面元素结构，根据缠绕角及厚度随等张力曲线纬度圆半径变化的特点，计算并赋予每个层相应的定向角和厚度；步骤5、选定气瓶封头与接头交接线上的所有节点，对其进行节点自由度耦合处理；步骤6、对气瓶模型设置约束条件和加载内压载荷，进行参数设定，求解并获得仿真结果。有益效果：本专利技术提出了一种更贴实际、更准确、更高效的单层面结构双向元素多层缠绕层叠结构的分析方法，能够真实反映纤维缠绕内衬的螺旋缠绕和环向缠绕叠加的组合线型，可真实反映模型各位置点不同缠绕角、多层结构层叠、厚度各异的特点，计算准确率高，为设计参数提供指导依据，可减少反复验证过程，降低直接成本。同时结合ANSYS参数化分析模块，使同类型复合材料气瓶仿真模型通过参数及程序化控制快速建模成型，快速获得参数值，可大幅提升计算效率。具体来说(1)复合材料气瓶内衬与复层间现实中采用环氧胶粘黏而成，ANSYS仿真模型中则应用Shell91“三明治”夹层壳结构实现了气瓶壳体一个面上的两种元素分别表征内衬与复层，有效解决了内衬与复层间的变形匹配性问题。(2)复合材料气瓶复层是采用螺旋缠绕和环向缠绕的组合线型，具有缠绕角不同、厚度变化的特点，ANSYS仿真模型采用复层元素的多层层叠结构，通过层的定向角模拟复层的缠绕角，层的厚度模拟复层的变厚层，有效解决了复层间的多层衔接问题。(3)复合材料气瓶封头与接头现实中通过各零部件焊接而成，ANSYS仿真模型中则采用壳单元与实体单元两种不同单元连接，容易出现模型衔接部位变形不一致、应力传递不等效情况，本方法采用节点自由度耦合效应实现了等张力封头与接头间的等应力传递。附图说明图1为纤维缠绕气瓶的缠绕线型分布结构示意图；图2为复合材料气瓶ANSYS仿真模型局部多层铺层的结构示意图。具体实施方式本专利技术提供了一种超高压多层缠绕复合材料气瓶的ANSYS仿真方法，其基本思想为：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和多层纤维缠绕层；模拟多层纤维缠绕层对应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。可见，通过Shell91单元的使用，能够真实表征复合层测地线缠绕线型分布、多层纤维厚度渐变层的衔接、金属层与复层间的变形匹配性及层与层之间的等应力传递；解决了复合材料气瓶复杂混合型结构无法借助常规算法获得结果、难以使复合型产品设计结构最优的计算难题，克服了传统方法计算准确率低的问题，使设计更高效。同时通过该仿真方法为超高压复合材料气瓶这一全新领域产品的设计提供数据支持和理论依据，并为产品结构的优化设计提供参考。下面结合附图并举实例，对本专利技术进行详细描述。图1为本专利技术仿真对象实际缠绕线型分布的示意图，表征复合材料气瓶金属内衬上螺旋缠绕和环向缠绕交替层叠的布局方式，现实缠绕中，金属内衬与复层间、复层中各螺旋层与环向层间通过环氧胶粘接；图2所示为本专利技术ANSYS有限元仿真模型及其铺层处理方式的示意图，图中符号1表示基于不同缠绕角的螺旋向缠绕层和环向缠绕层交叠多层模型显示，符号2表示内衬与复层的多层局部铺层结构显示，符号3本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高压多层缠绕复合材料气瓶的ANSYS仿真方法，其特征在于，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。

【技术特征摘要】
1.一种超高压多层缠绕复合材料气瓶的ANSYS仿真方法，其特征在于，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。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，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。5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，仿真过程为：步骤1、...

【专利技术属性】
技术研发人员：李玉峰，刘志栋，曹鹏，程彬，徐涛，朱小兰，王祥龙，顾森东，张雪儿，
申请(专利权)人：兰州空间技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：甘肃,62