三维四向整体编织复合材料圆筒壳体临界外压计算及试验验证

    三维四向整体编织复合材料壳体临界载荷计算方法研究是该材料工程应用中的一个重要课题,也是一个新课题,对此前人研究较少,尤其是试验研究与验证。笔者提出用MSC/NASTRAN有限元软件计算三维四向整体编织复合材料壳体临界载荷的工程计算方法。为验证这个计算方法的可靠性,笔者进行了三维四向整体编织碳/环氧复合材料圆筒壳体的外压稳定性试验研究,给出了两个该材料圆筒壳体的外压试验结果。计算结果与试验结果相符较好,笔者提出的三维四向整体编织复合材料壳体临界载荷计算方法得到试验验证,可供设计计算使用。

    1　三维四向整体编织复合材料壳体临界外压计算方法

　　三维四向整体编织复合材料壳体临界载荷计算的基础和前提是该材料的力学性能参数,其准确性确定了临界载荷计算的准确度,但是该材料结构的整体性要求给力学性能测试带来困难。因此,对该材料建立力学性能分析模型,并用力学性能分析模型预估该材料的力学性能就特别重要。在这方面国内外学者已做过许多研究工作[1～8]。对于三维四向整体编织复合材料壳体而言,材料表面结构对材料力学性能影响较大,为此笔者在文献[9,10]中提出了力学性能分析模型和力学性能的预估方法,并得到不破坏材料结构整体性的简单纵向拉伸、压缩试验的验证。

　　笔者把三维四向整体编织复合材料壳体临界外压计算分成两步进行。第一步用文献[9,10]提供的三维四向整体编织复合材料力学性能分析与预估方法计算三维四向整体编织复合材料壳体的力学性能参数,三维正交异性材料共有9个参数。第二步用MSC/NASTRAN有限元软件作屈曲分析计算,计算时把该材料进一步简化为二维正交异性材料,只需输入其中6个性能参数即可计算三维四向整体编织复合材料壳体的临界外压。

    1.1　三维四向整体编织复合材料壳体的力学性能计算

　　由文献[9,10]可知,三维四向整体编织复合材料壳体的力学性能要依靠计算获得。计算的原始数据,除纤维和树脂基体的力学性能外,还有纤维束参数:纤维密度ρf、纤维束线密度mf;编织参数:m圆周方向纤维束数、n半径方向纤维束数、表面编织角θ(纤维编织角γ=tan-12 tanθ);壳体结构参数:壳体厚度δ、壳体半径r。

　　对圆筒壳体有:m′=m,n′=n-1,面元数F=m′(F1=m′,f2=0),柱元数C=0,体元数B=(n′-1)

　　算得以上参数后,三维四向整体编织复合材料壳体的力学性能可由文献[10]的方法算得。计算输出结果:

　　Ex——沿壳体母线方向的弹性模量;

　　Ey——沿壳体圆周方向的弹性模量;

　　Ez——沿壳体厚度方向的弹性模量;