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基于Abaqus-WCM纤维缠绕压力容器及壳体有限元分析技术

2023/7/26    来源:微信公众号《仿真秀App》    作者:高级攻城狮      
关键字:Abaqus  纤维缠绕技术  仿真  
复合材料具有高强度、高模量、高刚度、优良的减振性、耐疲劳和耐蚀性等优异特点,被广泛用于国防科学技术和土木工程领域。复合材料使用含量已成为评估航空航天器性能的重要指标之一。
       在树脂基复合材料的生产技术中,纤维缠绕技术是最早发展、应用最广泛的加工技术,也是最重要的生产技术之一。纤维缠绕技术作为一种成型技术,通过丝嘴和模具之间的相对运动,按照一定的规则将纱线束缠绕在模具上,从而制成复合材料组件。

纤维缠绕技术与WCN建模仿真

纤维缠绕成型示意图

图1 纤维缠绕成型示意图

       纤维缠绕过程是按照一定的规则,将浸渍有树脂胶的连续纤维或布带缠绕在芯模上,然后将其固化和脱模。纤维缠绕复合材料的成型工艺是目前使用最广泛效率最高、成型效果最好的成型工艺,其产品性能均匀、稳定,也是最早开发和广泛使用的技术。纤维缠绕成型工艺是指在纤维张力的作用下,将纤维纱片浸入树脂胶中,通过控制丝嘴与型芯模具之间的相对运动,将纤维缠绕在型芯模具上,以一定的编排规律做出复合材料零件的成型技术。

       纤维缠绕成型技术广泛应用于航天、航空以及高端制造业,其目前主流的高端产品为导弹用的发动机壳体以及高压复合材料气瓶,如图2所示。

发动机壳体以及储氢的高压气瓶

图2 发动机壳体以及储氢的高压气瓶

       如图3所示,缠绕制品往往要满足测地线以及非测地线的基本规律,存在较为复杂的线型结构,纤维缠绕角度随着制品直径以及位置一直在变化,传统的有限元分析软件难以实现其模拟仿真,缠绕制品特别是复合材料壳体以及高压容器的有限元分析一直是行业的难点。

缠绕制品的线型规律

图3 缠绕制品的线型规律

       而Abaqus插件WCM(Winding Composites Modeler)可以对不同的缠绕层设定不同缠绕角度,成功解决了这个问题。可以实现以下功能:

       (1)内衬层创建功能:应用已有零件、解析法及CAD数据创建内衬。

       (2)复合材料层创建功能:定义复合材料层参数及与容器两端相关参数。

       (3)分割及划分网格:设定分割参数及沿容器长度方向单元数量。

       (4)材料特征:生成材料特征,截面属性,单元材料方向

       (5)案列测试功能:插件自带大量案列,不仅可测试WCM插件运行是否正常,而且可以帮助用户快速熟悉插件。

       (6)微观力学模型功能:创建纤维与基质的材料力学特性。

       (7)后处理工具:创建路径图,画出不同层的区域变量。

Abaqus-WCM插件

图4 Abaqus-WCM插件
责任编辑:程玥
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