全纏繞復合氣瓶ANSYS參數化結構分析

2013-08-14 by:廣州CAE有限元應用中心來源:仿真在線

全纏繞復合氣瓶ANSYS參數化結構分析

復合氣瓶通常由金屬內襯外纏繞復合材料增強層復合而成,根據復合材料增強結構分為筒身段環(huán)向纏繞增強和全纏繞復合材料增強兩類。由于復合材料具有比其它工程材料更高的比強度和比剛度,因此復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,減小高壓容器的質量。目前復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。

    為使復合氣瓶的設計和制造能滿足實際使用中對強度和壽命的要求,同時解決因復合材料和金屬內襯材料在強度性能上差別大,復合材料高強性能否充分發(fā)揮的問題,必須對復合氣瓶進行彈塑性分析。由于復合材料全纏繞氣瓶結構的復雜性,單純依據理論解析方法很難實現,而采用有限元結構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復合氣瓶進行結構分析。

    然而ANSYS有限元軟件大型化和通用化的特點,使其變得龐大而繁雜,一般工程人員要掌握該軟件并應用到復合氣瓶的設計中存在較大難度,因此根據復合氣瓶結構分析的特點,設計出基于ANSYS使工程人員能夠容易掌握和操作的復合氣瓶專用的二次開發(fā)程序,具有一定工程應用價值。

    筆者采用VC ++高級語言與ANSYS軟件APDL二次開發(fā)語言相結合,借助VC++開發(fā)出友好的可視化用戶界面,使非專業(yè)用戶輕松對氣瓶的結構、材料、載荷等參數進行修改,并直接生成用于ANSYS結構分析的APDL程序;借助VC++對ANSYS進行封裝,應用ANSYS軟件功能強大的結構分析功能對所要求的復合氣瓶進行結構分析并生成有用的文本、圖片及動畫文件,用于分析結果使用,最后在用戶界面內查看和分析有用的結果。本復合氣瓶專用設計分析程序,可通過簡單的修改復合氣瓶的某些參數實現多種設計方案的分析與比較,從而優(yōu)化設計,或對系列產品進行結構設計與分析。

1設計思路

    1.1基于ANSYS的有限元參數化基本思路與步驟

    根據具體工程結構的設計特點與分析要求,用參數描述其特征尺寸及其它相關數據,并在建立有限元模型與分析時,以參數表征其過程,從而實現可變結構參數的有限元分析這是一種采用語言描述法進行結構的參數化設計,而后進行有限元分析的方法。實施時具體步驟如下:①根據模型的幾何結構、特征形狀抽象出描述模型的特征參數,并對模型適當簡化。②建立包含實體建模、分析過程、結果處理過程的用ANSYS的命令流文件。③用APDL語言將抽象出的特征參數代替建模中的參數,構成可變參數的有限元分析。④根據設計分析要求,將參數賦于不同的特征值,并進行有限元計算分析,獲取結果。前3步工作完成后,在進行結構分析時只需重復第4步就可不斷獲得新的有限元分析結果。甚至對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命令流文件的內容

    參數化有限元分析的核心內容是編制可變參數的有限元分析命令流文件,應包含以下四項內容:①以變量形式定義特征參數并賦值;②用特征參數表征的實體建模過程描述;③分析類型與分析過程的定義;④分析結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APDL語言的語法要求,使用文本編輯器進行編寫時,只需根據分析模型的參數值,對特征參數的數值進行修改即可獲得新的分析流程文件。

    1.3利用Visual C++實現對ANSYS的封裝

    Visual C ++6.0是一種面向對象的集成編程環(huán)境,可開發(fā)出友好圖形用戶界面。利用VC實現對ANSYS的封裝。其程序設計結構。

該程序實現的功能有:①模型各參數通過對話框輸人;②根據輸入的參數自動形成相應的APDL命令文本;③程序自動調用ANSYS批處理功能并執(zhí)行該APDL命令文本;④分析結果文件能直接查看。

2 ANSYS參數化結構分析的實現

    2.1全纏繞復合氣瓶ANSYS有限元建模

    根據復合氣瓶彈塑性結構分析的特點,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襯層,利用單元自身具有的節(jié)點偏置功能,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

    因氣瓶結構材料和載荷具有軸對稱特點,所以采用1/2實體建模,以簡化有限元模型。

采用自底向上的方法構建復合氣瓶的實體模型,即在構造實體模型時,首先定義關鍵點,再利用這些關鍵點定義較高級的實體圖元(即線、面、體)。通過計算各關鍵點坐標,先定義各個關鍵點,再生成氣瓶的輪廓線,通過輪廓線繞軸線旋轉生成外形曲面。通過映射網格劃分工具,在控制網格密度的情況下,對壓力容器的幾何模型進行網格劃分,網格密度參數的控制是參數化設計中重要的控制參數,生成的有限元模型如圖2所示。復合材料纏繞層和內襯金屬材料的剛度和強度差別較大,因此復合氣瓶在內壓作用下會出現內襯材料已達屈服極限而復合材料層仍處在低應力水平的現象,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.在水壓試驗之前,使氣瓶經受一次高于檢驗壓力的自緊壓力循環(huán),因此自緊壓力是復合氣瓶設計中重要的參數。本程序是用幕載荷步施加內壓力,具體施加步長如圖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計承載壓力,每個載荷步分為10個子步,通過確定子步的數值可確定工作壓力和檢驗壓力的計算結果。

對該氣瓶在載荷步3施加90MPa的內壓,命令如下:

全纏繞復合氣瓶ANSYS參數化結構分析ansys結果圖圖片1

最后利用*DIM定義數組及*vFILL給數組元素賦值獲取。

2.2 利用Visual C ++實現對ANSYS的封裝

    在Visual C++中要啟動其它應用程序,有多個函數可使用,例如WinExec、ShellExecute和CreateProcese函數等。利用CreatePrecees函數可創(chuàng)建一個進程去執(zhí)行其它程序,可指定進程的安全屬性、繼承信息和該進程的優(yōu)先級。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語言設計用戶界面,通過調用ANSYS程序,從而實現對ANSYS程序的封裝。

    VC開發(fā)的全纏繞復合氣瓶的ANSYS參數化結構分析應用程序的界面圖4所示。點擊界面中的各個參數輸人按扭,彈出參數輸人對話框,輸人各相應的參數,點擊“確定”,則參數傳遞APDL數據中,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:

其材料參數輸入對話框,可參數化設定復合纏繞層及內襯層材料的材料屬性。氣瓶的幾何尺寸參數通過界面設定,如圖6所示,其余界面略。

通過界面參數化設定的參數都可利用VC++程序傳遞到APDL批處理文本中,從而形成完整的復合氣瓶結構分析APDL命令流文件,點擊運行ANSYS按鈕,則直接調用ANSYS程序并在后臺對生成的APDL命令流文件進行計算。一般用戶完全不需要了解ANSYS程序復雜的建模和運行過程。運行結束后點擊“查看結果”。

這樣,利用編寫的外部程序輸人ANSYS所需的建模參數,然后調用ANSYS進行后臺處理,并在指定的ANSYS工作目錄中讀取ANSYS的輸出結果文件和屏幕顯示圖像。達到參數的外部輸入,結果的外部調用,過程的后臺運行,從而實現對ANSYS的封裝。

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