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复合材料透波盖的强度有限元分析

发布于:2022-08-10 20:48
有限元分析

      本项目所研制的复合材料透波盖外形为一盆状近似旋转体的结构,由两部分复合而成:主体部分为聚合物基复合材料;上端部为一金属薄板。金属薄板的功能是提高透波盖的整体刚度,同时承受紧固螺栓的挤压应力。面3和面4分别为半径1.10mm和半径1.06mm的柱面。由于透波盖的整体结构并非旋转体,所以,必须对其整体进行网格划分。网格由有限元分析软件的前处理子程序自动生成。金属薄板部位由于每隔30度布置一个螺栓孔,易于产生应力集中,所以此部位网格作了加密,采用混合有限元法对其进行网络划分。金属薄板部位采用4节点6自由度四面体单元,共生成17193个元素。复合材料主体部位采用3维10节点四面体单元,共生成10302个元素。
      透波盖在实际工作中底面要承受水压,其承载工况为一均布面载荷,在有限元分析模型中由有限元分析软件自动将载荷转化在透波盖底面的各个节点上。透波盖通过上端部的12个螺栓孔由螺栓紧固后和刚性支撑件相连接。此处近似的将螺栓孔侧面处理成零位移的刚性约束。由于柱面5受支撑部件的限制不能沿径向膨胀,只能沿轴向产生位移,所以将柱面5处理成除轴向自由度外其它为零位移的约束。
      聚合物基复合材料为斜纹布铺层,可视为正交各向异性材料,其参数的选取参考有关材料试验和材料手册资料确定如下。
      当有限元模型建立后,按以上参数给定位移边界条件和载荷值,分别给定金属薄板及复合材料的性能参数,对有限元模型进行计算,由软件中的处理子程序根据计算结果生成数据文件和图形文件。从数据文件中可以读出各个元素节点上的应力、应变。同时,从数据文件中通过分析能够得到透波盖任何部位的应力分布曲线和奋形。从而找出应力分布规律和最大奋形部位及最大奋形量。计算结果显示最大变形区域为底面的中心处,最大垂直位移发生在中点,为0.87mm。
      从应力分布图中可以看出透波盖的应力分布特点即:在透波盖的底面4上由外向内逐渐由拉应力转变为压应力,在中心处压应力达到最大值;面3受拉应力作用在中心处拉应力达到最大值;面2主要承受压应力,在螺纹孔部位承受拉应力且有应力集中现象;面1在边沿处受拉应力,向内承受均匀压应力。透波盖承载时所产生的几个高应力区及该区域的最大应力;将计算所得的应力值代入,张量准则进行核算比较安全。
      按实际尺寸制成透波盖试件,在压力试验机(YB32-100)上进行结构抗压性能试验。透波盖通过螺栓固定在件2上。为了能够加压均匀,压头的形状要和透波盖底面相吻合。在加载过程中利用声发射仪(CSAE 2001)监测是否产生内部损伤。压强换算成压力试验机的设定压力为9.67,加载速度为0.3mm/s实测的加载压力和透波盖底面中心处的位移。从表中可以看出,透波盖的变形在线性弹性范围内,其产生的最大变形量为0.7mm,与计算结果基本相符合。最大垂直位移的产生部位与理论计算所得部位相同。从声发射仪记录结果可以看出,没有内部损伤产生。
      (1)有限元分析结果和试验研究,透波盖底面承受3MPa的压力时,其最大垂直位移部位在底面中心处,理论最大垂直位移为0.87mm,实测值为0.74mm。
      (2)分析结果代入张量准则进行核算,比较安全。
      (3)螺栓孔部位出现应力集中现象。
      (4)理论计算结果和实验结果基本相符。

 
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