一种超高压多层缠绕复合材料气瓶的ANSYS仿真方法与流程

本发明涉及仿真分析技术领域，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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明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，本发明是这样实现的。

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：

本发明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

本发明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，对本发明进行详细描述。

图1为本发明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所示为本发明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为超高压复合材料气瓶有限元网格划分模型。

结合图1和图2，下面介绍本发明超高压多层缠绕复合材料气瓶的ansys仿真方法，该方法针对超高压、金属内衬柱形复合材料气瓶，采用ansys有限元建模仿真模拟金属内衬外表面沿子午线方向的缠绕线型分布及多层缠绕结构层叠处理方法，仿真模型分为封头建模、筒体建模和接头建模三部分，具体内容如下：

(一)封头

本气瓶采用等张力封头，分为密封端等张力封头和气口端等张力封头。封头建模采用shell91单元中的2个重叠元素分别模拟气瓶中的单层金属内衬和多层纤维缠绕层(下面简称复层)。多层纤维缠绕层对应的面元素包含多个层，每个层对应一个纤维缠绕层。本发明采用shell91单元夹层特性有效解决了内衬与复层间的变形匹配性问题。

对于封头的每一个缠绕层本身来说，其并不是固定缠绕角和等厚度，需根据缠绕角及厚度随等张力曲面纬度圆半径变化的结构特点，计算出每个层相应的缠绕角和层厚，然后对层的两个属性(定向角和厚度)进行赋值。纤维铺层沿子午线呈螺旋向缠绕，针对每一层，层定向角(theta)表征随封头等张力曲面纬度圆半径变化的不同缠绕角，层厚度(tk)表征渐变的层厚(变厚通过层单元上的节点厚度控制)。

(二)筒体

本气瓶柱段筒体为等壁厚筒体。筒体建模采用shell91单元中的2个重叠的面元素分别模拟气瓶金属内衬层和多层纤维缠绕层；同样，多层纤维缠绕层对应的面元素包含多个层，每个层对应一个纤维缠绕层。

对于气瓶柱段筒体的每一个纤维缠绕层本身来说，其具有固定缠绕角和等厚度。因此，针对每一层来说，层的定向角(theta)表征柱段筒体的相同缠绕角，层的厚度(tk)表征相同厚度。对于现实中气瓶柱段筒体，纤维铺层沿子午线呈螺旋向缠绕和环向缠绕呈对称交替层叠，因此复合在一起的多个层缠绕角也呈对称交替变化。

(三)接头

本气瓶采用双极孔单气口接头，包括气口端接头和密封端接头，作为产品的对外接口。接头建模采用solid95三维体单元，在封头面单元和接头体单元交接处不同类型单元的衔接采用节点自由度耦合的处理方式实现气瓶仿真模型封头与接头间等应力传递。该处理方法解决了壳单元与实体单元连接，容易出现的模型衔接部位变形不一致、应力传递不等效问题。

下面详细描述本发明的实施步骤，如下：

(1)按照气瓶单层金属内衬的外表面尺寸，采用面单元area建立气瓶筒体与封头结构，确保内衬与复层共用同一个面(建立内衬与复层的交接面)；按照气瓶接头尺寸，采用体单元solid建立气瓶接头结构，气瓶模型的等张力封头和接头相接处通过共线连接，采用共线实现两种单元模型的衔接。

(2)定义面元素为金属内衬的属性参数(包括材料、质量等属性)，对壳体采用非线性层状壳单元shell91进行网格剖分，确保每个剖分单元的单元坐标系方向一致(通过plotctrls-symbols查看单元坐标系)，同时使面元素厚度向内侧延伸，表征单层金属内衬的单层结构和厚度；定义体元素为气瓶接头的属性参数，对接头采用三维结构体单元solid95进行网格剖分；可以通过程序定义内衬每个面元素上的4个节点及曲线方程完成内衬模型建立。建模步骤如下：

定义坐标系→定义当前面元素的节点→建立内衬内曲面的母线方程，方程表征内衬厚度与等张力曲线对应节点纬度圆半径x值的变化关系。x瓶体径向坐标轴，以瓶体的轴线作为x的零点，范围是0～瓶体半径。

(3)复制柱段筒体和封头的所有面元素element，与步骤(2)原划分好的面元素重叠，设置复制面元素的属性参数为复层的参数(含三个方向的弹性模量、剪切模量和泊松比等)，同时使其面元素厚度向外侧延伸，表征复层的多层结构和厚度(通常层数与厚度取决于产品强度计算缠绕层数及复层厚度)。

(4)仿真模型的缠绕角和厚度分为两部分，一部分为气瓶柱段筒体缠绕角固定、等厚度结构，另一部分为气瓶封头缠绕角及厚度随等张力曲面纬度圆半径变化的结构，选定缠绕角固定、等厚的柱段筒体赋予层的定向角(theta)和层的厚度(tk)，选定缠绕角不同、变厚的封头采用沿子午线方向的缠绕角和层厚计算公式，并借助编程技术赋予随所在节点纬度圆半径变化的参数值，实现每个定向角位置的层变厚圆滑过渡，其中厚度通过每个剖分元素的四个节点参数值控制。复合层结构建模程序如下：

缠绕角固定、等厚度结构程序建模步骤：

定义坐标系→定义当前元素的节点→计算当前元素x向平均坐标值→通过极孔半径计算缠绕角→定义1个元素上的多个层，对每一层赋值缠绕角和层厚度。

缠绕角不同、材料各向异性、厚度渐变结构程序建模步骤：

定义当前元素的节点坐标x→计算纤维厚度，厚度＝单层厚度*sqrt((内衬外径²-极孔直径²)/(nx²-极孔直径²))→通过极孔半径计算每个节点的缠绕角→定义1个面元素上的多个层，对每个层赋值不同的缠绕角和单层变厚度。sqrt表示开根号运算。

(5)选定气瓶封头与接头交线上的所有节点，对其进行节点自由度耦合处理(preprocessor-coupling/ceqn-coupledofs)，使其所有节点的自由度实现一致性变化(衔接)，使气瓶等张力封头与接头间能够实现等应力传递，从而确保模型间壳单元与体单元的刚性连接。

(6)对气瓶模型设置约束条件(确保约束条件与实际安装方式一致)和加载内压载荷，同时设置常规计算参数，计算、汇总和评估数据结果，为设计提供数据依据和优化条件。

至此，本流程结束。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。