[发明专利]碳纤维缠绕复合材料圆筒的三维热-结构耦合分析方法

说明书

本发明涉及一种碳纤维缠绕复合材料圆筒的三维热‑结构耦合分析方法，包括以下步骤：S101：在有限元分析软件ANSYS中建立碳纤维缠绕复合材料的整体有限元分析模型；S102：对S101建模得到的立体模型进行网格划分；S103：在外表面施加对流载荷，并在边界上施加位移约束和温度边界条件；S104：求解S103得到的模型进行热传导求解和应力求解。本发明提供的分析方法以厚壁圆筒为几何模型，计算厚壁圆筒内壁的热应力分布情况，分析方法简单、易于操作；其分析结果能够为后续厚壁圆筒的设计和性能提供指导作用，具有广泛的应用价值，对应用碳纤维缠绕复合结构的各大工程领域具有显著的实用意义。

技术领域

本发明涉及复合材料性能检测技术领域，具体涉及一种碳纤维缠绕复合材料圆筒的三维热-结构耦合分析方法。

背景技术

众所周知，纤维缠绕复合材料具有比强度大、比刚度高和耐腐蚀等优点，其在航空航天、能源输送和压力容器等领域得到了广泛应用。其中，碳纤维复合材料因具有一般碳素材料的特性，如：耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀性等，同时其还具有优异的抗疲劳、抗冲击特性，尤其是具有超高的强度重量比和硬度重量比，从而广泛应用在航天和汽车工业领域中。迄今为止，碳纤维复合材料已经成为一种不可或缺的工业材料。此外，近年来，伴随着工程中热应力问题的日益凸显，比如说柴油机活塞、机床主轴等这一类圆筒轴对称结构，都高频承受着热负荷和机械复合的双重作用，对它们进行应力计算都必须把热的影响充分考虑在内。因此，研究该类材料的热-结构耦合性能有着至关重要的意义。

基于此，人们对复合材料的热-结构耦合问题进行了一系列研究；但基于复合材料中材料的各向异性使得热-结构耦合分析更加复杂，传统方法中很难找到一种能够准确进行碳纤维缠绕复合材料热-结构耦合性能的分析方法。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明旨在提供一种对于碳纤维缠绕复合材料圆筒的三维热-结构耦合分析方法。本发明提供的分析方法可以有效用于碳纤维缠绕复合材料圆筒的三维热-结构耦合性能检测，以厚壁圆筒为几何模型，最终计算得到厚壁圆筒内壁的热应力分布情况，分析方法简单、易于操作；其分析结果能够为后续厚壁圆筒的设计和性能提供指导作用，因而具有广泛的应用价值，对应用碳纤维缠绕复合结构的各大工程领域具有显著的实用意义。

为此，本发明提供如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种碳纤维缠绕复合材料圆筒的三维热-结构耦合分析方法，包括以下步骤：S101：在有限元分析软件ANSYS中建立碳纤维缠绕复合材料的整体有限元分析模型；S102：对S101建模得到的立体模型进行网格划分；S103：在外表面施加对流载荷，并在边界上施加位移约束和温度边界条件；S104：求解S103得到的模型进行热传导求解和应力求解。

在本发明的进一步实施方式中，S102中，网格划分具体包括：采用20节点三维实体耦合单元，每个节点包括3个位移自由度和1个节点温度自由度。

在本发明的进一步实施方式中，S102中，网格划分还包括：取立体模型身管轴向15°模型进行三维网格离散，并在周向面上进行周向对称约束。

在本发明的进一步实施方式中，碳纤维缠绕复合材料包括应用于航空航天、能源输送、压力容器、汽车工业等领域的复合材料。

在本发明的进一步实施方式中，碳纤维缠绕复合材料的原料组分按重量份计，包括：碳纤维30～50重量份、高分子聚合物3～5重量份以及金属13～18重量份。

在本发明的进一步实施方式中，高分子聚合物选自聚丙烯、聚酰胺、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚碳酸酯、聚苯醚和聚砜中的一种或多种；金属选自镁、铜、镧、锰、铕和铝中的一种或多种。

在本发明的进一步实施方式中，碳纤维缠绕复合材料的原料组分按重量份计，包括：碳纤维38～45重量份、高分子聚合物3～4重量份以及金属15～18重量份。