全纏繞復(fù)合氣瓶ANSYS參數(shù)化結(jié)構(gòu)分析

2013-08-14 by:廣州CAE有限元應(yīng)用中心來源:仿真在線

復(fù)合氣瓶通常由金屬內(nèi)襯外纏繞復(fù)合材料增強(qiáng)層復(fù)合而成,根據(jù)復(fù)合材料增強(qiáng)結(jié)構(gòu)分為筒身段環(huán)向纏繞增強(qiáng)和全纏繞復(fù)合材料增強(qiáng)兩類。由于復(fù)合材料具有比其它工程材料更高的比強(qiáng)度和比剛度,因此復(fù)合氣瓶可明顯提高壓力容器的可靠性、安全性、承載能力、使用壽命,減小高壓容器的質(zhì)量。目前復(fù)合氣瓶已廣泛用作航空、航天壓力容器、壓縮天然氣(CNG)汽車氣瓶、呼吸氣瓶等。

    為使復(fù)合氣瓶的設(shè)計(jì)和制造能滿足實(shí)際使用中對(duì)強(qiáng)度和壽命的要求,同時(shí)解決因復(fù)合材料和金屬內(nèi)襯材料在強(qiáng)度性能上差別大,復(fù)合材料高強(qiáng)性能否充分發(fā)揮的問題,必須對(duì)復(fù)合氣瓶進(jìn)行彈塑性分析。由于復(fù)合材料全纏繞氣瓶結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,單純依據(jù)理論解析方法很難實(shí)現(xiàn),而采用有限元結(jié)構(gòu)分析方法是目前較可行的解決途徑。嵇醒,佟麗莉等已采用該軟件對(duì)復(fù)合氣瓶進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析。

    然而ANSYS有限元軟件大型化和通用化的特點(diǎn),使其變得龐大而繁雜,一般工程人員要掌握該軟件并應(yīng)用到復(fù)合氣瓶的設(shè)計(jì)中存在較大難度,因此根據(jù)復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)分析的特點(diǎn),設(shè)計(jì)出基于ANSYS使工程人員能夠容易掌握和操作的復(fù)合氣瓶專用的二次開發(fā)程序,具有一定工程應(yīng)用價(jià)值。

    筆者采用VC ++高級(jí)語言與ANSYS軟件APDL二次開發(fā)語言相結(jié)合,借助VC++開發(fā)出友好的可視化用戶界面,使非專業(yè)用戶輕松對(duì)氣瓶的結(jié)構(gòu)、材料、載荷等參數(shù)進(jìn)行修改,并直接生成用于ANSYS結(jié)構(gòu)分析的APDL程序;借助VC++對(duì)ANSYS進(jìn)行封裝,應(yīng)用ANSYS軟件功能強(qiáng)大的結(jié)構(gòu)分析功能對(duì)所要求的復(fù)合氣瓶進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析并生成有用的文本、圖片及動(dòng)畫文件,用于分析結(jié)果使用,最后在用戶界面內(nèi)查看和分析有用的結(jié)果。本復(fù)合氣瓶專用設(shè)計(jì)分析程序,可通過簡(jiǎn)單的修改復(fù)合氣瓶的某些參數(shù)實(shí)現(xiàn)多種設(shè)計(jì)方案的分析與比較,從而優(yōu)化設(shè)計(jì),或?qū)ο盗挟a(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析。

1設(shè)計(jì)思路

    1.1基于ANSYS的有限元參數(shù)化基本思路與步驟

    根據(jù)具體工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)特點(diǎn)與分析要求,用參數(shù)描述其特征尺寸及其它相關(guān)數(shù)據(jù),并在建立有限元模型與分析時(shí),以參數(shù)表征其過程,從而實(shí)現(xiàn)可變結(jié)構(gòu)參數(shù)的有限元分析這是一種采用語言描述法進(jìn)行結(jié)構(gòu)的參數(shù)化設(shè)計(jì),而后進(jìn)行有限元分析的方法。實(shí)施時(shí)具體步驟如下:①根據(jù)模型的幾何結(jié)構(gòu)、特征形狀抽象出描述模型的特征參數(shù),并對(duì)模型適當(dāng)簡(jiǎn)化。②建立包含實(shí)體建模、分析過程、結(jié)果處理過程的用ANSYS的命令流文件。③用APDL語言將抽象出的特征參數(shù)代替建模中的參數(shù),構(gòu)成可變參數(shù)的有限元分析。④根據(jù)設(shè)計(jì)分析要求,將參數(shù)賦于不同的特征值,并進(jìn)行有限元計(jì)算分析,獲取結(jié)果。前3步工作完成后,在進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析時(shí)只需重復(fù)第4步就可不斷獲得新的有限元分析結(jié)果。甚至對(duì)于不了解有限元的具體分析過程與建模方法的人員使用起來也很方便自如。

    1.2 APDL命令流文件的內(nèi)容

    參數(shù)化有限元分析的核心內(nèi)容是編制可變參數(shù)的有限元分析命令流文件,應(yīng)包含以下四項(xiàng)內(nèi)容:①以變量形式定義特征參數(shù)并賦值;②用特征參數(shù)表征的實(shí)體建模過程描述;③分析類型與分析過程的定義;④分析結(jié)果的讀取與處理定義。

    有限元分析命令流文件可采用ANSYS命令,根據(jù)APDL語言的語法要求,使用文本編輯器進(jìn)行編寫時(shí),只需根據(jù)分析模型的參數(shù)值,對(duì)特征參數(shù)的數(shù)值進(jìn)行修改即可獲得新的分析流程文件。

    1.3利用Visual C++實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS的封裝

    Visual C ++6.0是一種面向?qū)ο蟮募删幊汰h(huán)境,可開發(fā)出友好圖形用戶界面。利用VC實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS的封裝。其程序設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。

該程序?qū)崿F(xiàn)的功能有:①模型各參數(shù)通過對(duì)話框輸人;②根據(jù)輸入的參數(shù)自動(dòng)形成相應(yīng)的APDL命令文本;③程序自動(dòng)調(diào)用ANSYS批處理功能并執(zhí)行該APDL命令文本;④分析結(jié)果文件能直接查看。

2 ANSYS參數(shù)化結(jié)構(gòu)分析的實(shí)現(xiàn)

    2.1全纏繞復(fù)合氣瓶ANSYS有限元建模

    根據(jù)復(fù)合氣瓶彈塑性結(jié)構(gòu)分析的特點(diǎn),選擇兩種單元,即線性的層合殼單元,he1199和非線性層合殼單元shell9l,ahe1199處理碳纖維/環(huán)氧復(fù)合材料等纏繞層,ahell9l具有材料非線性處理功能,用來處理鋁合金等金屬內(nèi)襯層,利用單元自身具有的節(jié)點(diǎn)偏置功能,將兩種單元連接起來。選擇單元類型命令格式為:

    ET,1,SHELL99

    ET,2,SHELL91,,1

    因氣瓶結(jié)構(gòu)材料和載荷具有軸對(duì)稱特點(diǎn),所以采用1/2實(shí)體建模,以簡(jiǎn)化有限元模型。

采用自底向上的方法構(gòu)建復(fù)合氣瓶的實(shí)體模型,即在構(gòu)造實(shí)體模型時(shí),首先定義關(guān)鍵點(diǎn),再利用這些關(guān)鍵點(diǎn)定義較高級(jí)的實(shí)體圖元(即線、面、體)。通過計(jì)算各關(guān)鍵點(diǎn)坐標(biāo),先定義各個(gè)關(guān)鍵點(diǎn),再生成氣瓶的輪廓線,通過輪廓線繞軸線旋轉(zhuǎn)生成外形曲面。通過映射網(wǎng)格劃分工具,在控制網(wǎng)格密度的情況下,對(duì)壓力容器的幾何模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分,網(wǎng)格密度參數(shù)的控制是參數(shù)化設(shè)計(jì)中重要的控制參數(shù),生成的有限元模型如圖2所示。復(fù)合材料纏繞層和內(nèi)襯金屬材料的剛度和強(qiáng)度差別較大,因此復(fù)合氣瓶在內(nèi)壓作用下會(huì)出現(xiàn)內(nèi)襯材料已達(dá)屈服極限而復(fù)合材料層仍處在低應(yīng)力水平的現(xiàn)象,為解決該問題,工程上通常采用自緊工藝,即在氣瓶固化完成后.在水壓試驗(yàn)之前,使氣瓶經(jīng)受一次高于檢驗(yàn)壓力的自緊壓力循環(huán),因此自緊壓力是復(fù)合氣瓶設(shè)計(jì)中重要的參數(shù)。本程序是用幕載荷步施加內(nèi)壓力,具體施加步長(zhǎng)如圖3所示,第一載荷步為自緊壓力,第二載荷步為卸載,第三載荷步為施加到最大設(shè)計(jì)承載壓力,每個(gè)載荷步分為10個(gè)子步,通過確定子步的數(shù)值可確定工作壓力和檢驗(yàn)壓力的計(jì)算結(jié)果。

對(duì)該氣瓶在載荷步3施加90MPa的內(nèi)壓,命令如下:

全纏繞復(fù)合氣瓶ANSYS參數(shù)化結(jié)構(gòu)分析ansys結(jié)果圖圖片1

最后利用*DIM定義數(shù)組及*vFILL給數(shù)組元素賦值獲取。

2.2 利用Visual C ++實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS的封裝

    在Visual C++中要啟動(dòng)其它應(yīng)用程序,有多個(gè)函數(shù)可使用,例如WinExec、ShellExecute和CreateProcese函數(shù)等。利用CreatePrecees函數(shù)可創(chuàng)建一個(gè)進(jìn)程去執(zhí)行其它程序,可指定進(jìn)程的安全屬性、繼承信息和該進(jìn)程的優(yōu)先級(jí)。ANSYS提供了一種批處理方式的格式:“Ansys80-i lnputName-Out-putName".其中InputName和OutNaroe分別為輸入和輸出文件名,采用VC語言設(shè)計(jì)用戶界面,通過調(diào)用ANSYS程序,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS程序的封裝。

    VC開發(fā)的全纏繞復(fù)合氣瓶的ANSYS參數(shù)化結(jié)構(gòu)分析應(yīng)用程序的界面圖4所示。點(diǎn)擊界面中的各個(gè)參數(shù)輸人按扭,彈出參數(shù)輸人對(duì)話框,輸人各相應(yīng)的參數(shù),點(diǎn)擊“確定”,則參數(shù)傳遞APDL數(shù)據(jù)中,形成APDL批處理文本并保存。

    在Visual C++中形成APDL批處理文本的部分程序代碼如下:

其材料參數(shù)輸入對(duì)話框,可參數(shù)化設(shè)定復(fù)合纏繞層及內(nèi)襯層材料的材料屬性。氣瓶的幾何尺寸參數(shù)通過界面設(shè)定,如圖6所示,其余界面略。

通過界面參數(shù)化設(shè)定的參數(shù)都可利用VC++程序傳遞到APDL批處理文本中,從而形成完整的復(fù)合氣瓶結(jié)構(gòu)分析APDL命令流文件,點(diǎn)擊運(yùn)行ANSYS按鈕,則直接調(diào)用ANSYS程序并在后臺(tái)對(duì)生成的APDL命令流文件進(jìn)行計(jì)算。一般用戶完全不需要了解ANSYS程序復(fù)雜的建模和運(yùn)行過程。運(yùn)行結(jié)束后點(diǎn)擊“查看結(jié)果”。

這樣,利用編寫的外部程序輸人ANSYS所需的建模參數(shù),然后調(diào)用ANSYS進(jìn)行后臺(tái)處理,并在指定的ANSYS工作目錄中讀取ANSYS的輸出結(jié)果文件和屏幕顯示圖像。達(dá)到參數(shù)的外部輸入,結(jié)果的外部調(diào)用,過程的后臺(tái)運(yùn)行,從而實(shí)現(xiàn)對(duì)ANSYS的封裝。

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