一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及复合材料管设计领域，尤其涉及一种带沟槽的复合材料管的优化设计 方法。
【背景技术】
[0002] 目前，我国对于复合材料管的设计主要应用工程算法。即根据复合材料管的工作 情况，应用厚壁圆筒理论和强度理论，建立复合材料管的弹性强度极限关系式。但是，由这 些关系式所确定的复合材料管强度与实际工作时复合材料管的强度有一定差别。另外，对 于自紧的复合材料管还存在自紧残余应力以及复合材料在缠绕过程中产生的高温固化残 余应力等，这些力的作用极其复杂。因此，以往基于各向同性假设的复合材料管工程计算方 法并不能准确地对复合材料管进行计算分析和设计。
【发明内容】
[0003] 一、要解决的技术问题
[0004] 本发明的目的是针对现有技术所存在的上述问题，特提供一种带沟槽的复合材料 管的优化设计方法，利用Solidworks软件建立复合材料管的三维实体模型，利用ANSYS软 件将建立的复合材料管三维实体模型生成有限元模型，并完成对复合材料管的壁厚、铺层 角度和方式准确分析和设计，以克服工程算法不能准确计算设计复合材料管的现状。
[0005] 二、技术方案
[0006] 为解决上述技术问题，本发明提供一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法，所 述方法包括：
[0007] 步骤S1，选定复合材料管的壁厚，建立该复合材料管三维实体模型；
[0008] 步骤S2,通过ANSYS软件对复合材料管三维实体模型进行网格划分，生成有限元 丰旲型；
[0009] 步骤S3,设置复合材料管模型的材料参数、施加边界条件与力载荷；
[0010] 步骤S4,通过ANSYS软件对生成的有限元模型进行有限元计算，生成复合材料管 的总变形分布图；
[0011] 步骤S5,根据复合材料管的总变形分布图校核其刚度，判断复合材料管厚度的合 理性。
[0012] 其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述步骤Sl中，使用 Solichrorks软件建立该复合材料管三维实体模型。
[0013] 其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述步骤S2包括：通过 ANSYS软件设定复合材料管三维实体模型的单元类型、网格形状和单元阶次，并确定其网格 尺寸，以壁厚与缠绕角为重要几何参数，对复合材料管三维实体模型进行自动分网，生成有 限元模型。
[0014] 其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述复合材料管三维实 体模型中复合材料层网格划分使用ANSYS软件中的八节点S0LID46三维层状体单元，该单 元每个节点有三个自由度。
[0015] 其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述复合材料管模型的 材料采用E-玻璃纤维与S-玻璃纤维混杂/热塑性聚苯硫醚，该复合材料管模型单向复合 材料缠绕等效纵向模量40Gpa。
[0016] 其中，在上述的带沟槽的复合材料管的优化设计方法中，所述施加边界条件与力 载荷满足：
[0017] 在复合材料管模型上取三个约束位置，将每个约束位置与坐标原点的距离 定义成变量，分别为consl、cons2、cons3,并将模型外表面处于（consl, consl+20)、 (cons2, cons2+20)、（cons3, cons3+20)三个区间内节点的Ux、Uy、Uz约束住；将复合材料管 模型两端水平固定在支架上，在两支座中间位置对管体悬挂IOOkg重物，管体的挠度不大 于 I. 5mm〇
[0018] 三、本发明的有益效果
[0019] 与现有技术相比，本发明的一种带沟槽的复合材料管的优化设计方法，利用 Solidworks软件建立复合材料管的三维实体模型，利用ANSYS软件将建立的复合材料管三 维实体模型生成有限元模型，并完成对复合材料管的壁厚、铺层角度和方式准确分析和设 计。
[0020] 在本发明中，使用有限元分析工具可大幅减少以往工程算法过多的简化假设，可 以考虑外表面圆锥面、螺纹、槽沟、内表面锥面等实际结构因素，因而与产品实际力学性能 吻合更好，同时可有效解决包含各向异性材料复杂结构以及热效应影响问题。另外，在设计 进行的同时就能对复合材料管的动态受力性能进行仿真评估，减少不必要的大量全尺寸试 样制作，降低设计成本，缩短设计周期，进而确保系统技术方案设计的可行性、先进性。
【附图说明】
[0021] 图1为本发明实施例中Solidworks软件建立的复合材料管三维实体模型；
[0022] 图2为本发明实施例的带沟槽的复合材料管的有限元模型图；
[0023] 图3为图2的A部放大图。
【具体实施方式】
[0024] 下面结合附图和实施例，对本发明的【具体实施方式】作进一步详细描述。以下实施 例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0025] 本发明的优化设计方法可广泛应用于复合材料管的设计中，此方法可大幅减少以 往工程算法过多的简化假设，可以考虑外表面圆锥面、螺纹、槽沟、内表面锥面等实际结构 因素，因而与产品实际力学性能吻合更好，同时可有效解决包含各向异性材料复杂结构以 及热效应影响问题。
[0026] 本实施例的带沟槽的复合材料管的优化设计方法包括：步骤S1，选定复合材料管 的壁厚，建立该复合材料管三维实体模型；步骤S2,通过ANSYS软件对复合材料管三维实体 模型进行网格划分，生成有限元模型；步骤S3,设置复合材料管模型的材料参数、施加边界 条件与力载荷；步骤S4,通过ANSYS软件对生成的有限元模型进行有限元计算，生成复合材 料管的总变形分布图；步骤S5,根据复合材料管的总变形分布图校核其刚度，判断复合材 料管厚度的合理性。
[0027] 下面以某复合材料管为例，结合附图和实施例，对本发明的优化设计方法做出具 体说明。
[0028] 某复合材料管的主要参数：
[0029] 复合材料管几何尺寸：内径Φ I = 120mmX长度3050mm。沟槽几何尺寸为 9_X9mm，沟槽缠角为2° 3(V，左旋。
[0030] 复合材料管本体材料：复合材料采用E-玻璃纤维与S-玻璃纤维混杂/热塑性聚 苯硫醚（PPS)，复合材料管单向复合材料缠绕等效纵向模量40GPa。
[0031] 临界设计重量彡14kg。
[0032] 上述复合材料管主要由管体、沟槽两部分组成，其优化设计方法包括如下步骤：
[0033] 步骤S1，选定壁厚（以3. 5mm为例），利用Solidworks软件建立如图1所示的复 合材料管三维实体模型。
[0034] 步骤S2,通过ANSYS软件对复合材料管三维实体模型进行网格划分，生成有限元 模型。
[0035] 具体地，分别对选定壁厚的复合材料管，以30°、15°、10°、5°、2. 5°缠绕角，建 立复合材料管有限元模型。
[0036] 由于复合材料管并不复杂，可以将其简化成壳体，也可按照实体处理，但是由于本 模型沟槽中倒角的存在，使单元的选择受到限制，使用壳单元时，当离散后的单元厚度t与 壳体的最小曲率半径r的比大于1/5时，单元发生畸变，因此选择层合实体单元。ANSYS软 件中有solid46和solidl91两种层合实体