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復合材料透波蓋的強度有限元分析

發布于:2022-08-10 20:48
有限元分析

      本項目所研制的復合材料透波蓋外形為一盆狀近似旋轉體的結構,由兩部分復合而成:主體部分為聚合物基復合材料;上端部為一金屬薄板。金屬薄板的功能是提高透波蓋的整體剛度,同時承受緊固螺栓的擠壓應力。面3和面4分別為半徑1.10mm和半徑1.06mm的柱面。由于透波蓋的整體結構并非旋轉體,所以,必須對其整體進行網格劃分。網格由有限元分析軟件的前處理子程序自動生成。金屬薄板部位由于每隔30度布置一個螺栓孔,易于產生應力集中,所以此部位網格作了加密,采用混合有限元法對其進行網絡劃分。金屬薄板部位采用4節點6自由度四面體單元,共生成17193個元素。復合材料主體部位采用3維10節點四面體單元,共生成10302個元素。
      透波蓋在實際工作中底面要承受水壓,其承載工況為一均布面載荷,在有限元分析模型中由有限元分析軟件自動將載荷轉化在透波蓋底面的各個節點上。透波蓋通過上端部的12個螺栓孔由螺栓緊固后和剛性支撐件相連接。此處近似的將螺栓孔側面處理成零位移的剛性約束。由于柱面5受支撐部件的限制不能沿徑向膨脹,只能沿軸向產生位移,所以將柱面5處理成除軸向自由度外其它為零位移的約束。
      聚合物基復合材料為斜紋布鋪層,可視為正交各向異性材料,其參數的選取參考有關材料試驗和材料手冊資料確定如下。
      當有限元模型建立后,按以上參數給定位移邊界條件和載荷值,分別給定金屬薄板及復合材料的性能參數,對有限元模型進行計算,由軟件中的處理子程序根據計算結果生成數據文件和圖形文件。從數據文件中可以讀出各個元素節點上的應力、應變。同時,從數據文件中通過分析能夠得到透波蓋任何部位的應力分布曲線和奮形。從而找出應力分布規律和最大奮形部位及最大奮形量。計算結果顯示最大變形區域為底面的中心處,最大垂直位移發生在中點,為0.87mm。
      從應力分布圖中可以看出透波蓋的應力分布特點即:在透波蓋的底面4上由外向內逐漸由拉應力轉變為壓應力,在中心處壓應力達到最大值;面3受拉應力作用在中心處拉應力達到最大值;面2主要承受壓應力,在螺紋孔部位承受拉應力且有應力集中現象;面1在邊沿處受拉應力,向內承受均勻壓應力。透波蓋承載時所產生的幾個高應力區及該區域的最大應力;將計算所得的應力值代入,張量準則進行核算比較安全。
      按實際尺寸制成透波蓋試件,在壓力試驗機(YB32-100)上進行結構抗壓性能試驗。透波蓋通過螺栓固定在件2上。為了能夠加壓均勻,壓頭的形狀要和透波蓋底面相吻合。在加載過程中利用聲發射儀(CSAE 2001)監測是否產生內部損傷。壓強換算成壓力試驗機的設定壓力為9.67,加載速度為0.3mm/s實測的加載壓力和透波蓋底面中心處的位移。從表中可以看出,透波蓋的變形在線性彈性范圍內,其產生的最大變形量為0.7mm,與計算結果基本相符合。最大垂直位移的產生部位與理論計算所得部位相同。從聲發射儀記錄結果可以看出,沒有內部損傷產生。
      (1)有限元分析結果和試驗研究,透波蓋底面承受3MPa的壓力時,其最大垂直位移部位在底面中心處,理論最大垂直位移為0.87mm,實測值為0.74mm。
      (2)分析結果代入張量準則進行核算,比較安全。
      (3)螺栓孔部位出現應力集中現象。
      (4)理論計算結果和實驗結果基本相符。

 
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