基于非线性有限元理论的复合材料壳体缠绕参数优化设计

doi:10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.001

复合材料科学与工程 ›› 2022, Vol. 0 ›› Issue (10): 5-12.DOI: 10.19936/j.cnki.2096-8000.20221028.001

• 基础研究 • 下一篇

基于非线性有限元理论的复合材料壳体缠绕参数优化设计

祖磊¹, 范文俊¹, 张骞^1*, 牟星¹, 吴世俊¹, 张桂明¹, 吴乔国², 耿洪波³

1.合肥工业大学机械工程学院,合肥230009;
2.合肥工业大学土木与水利工程学院,合肥230009;
3.内蒙古航天红岗机械有限公司,呼和浩特010000

收稿日期:2021-10-14 出版日期:2022-10-28 发布日期:2022-11-01
通讯作者: 张骞(1990-),男,博士,讲师,研究方向为复合材料力学与结构设计,zq_hfut@hfut.edu.cn。
作者简介:祖磊(1983-),男,博士,教授,研究方向为复合材料力学与结构设计。
基金资助:
国家自然科学基金项目(51875159,52175311,52175133,12102115)

Optimization design of winding parameters of composite shell based on nonlinear finite element theory

ZU Lei¹, FAN Wen-jun¹, ZHANG Qian^1*, MOU Xing¹, WU Shi-jun¹, ZHANG Gui-Ming¹, WU Qiao-guo², GENG Hong-bo³

1. School of Mechanical Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;
2. College of Civil Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China;
3. Inner Mongolia Aerospace Honggang Machinery Co., Ltd., Hohhot 010000, China

Received:2021-10-14 Online:2022-10-28 Published:2022-11-01

摘要/Abstract

摘要： 本文基于非线性有限元理论,对承受内压载荷的复合材料壳体进行缠绕参数优化设计。采用截锥壳单元和薄壳理论建立了复合材料壳体强度分析模型,取得了与固体火箭发动机壳体水压试验吻合的结果,与商业有限元软件ABAQUS的对比结果表明该模型具有较高的计算效率,可以用于复合材料壳体的应力分析及爆破压力预测;采用该强度分析模型与遗传算法相结合对复合材料壳体螺旋层的非测地线缠绕滑移系数进行优化设计,得到在滑移系数为0.19时壳体的爆破压力最高,与测地线缠绕相比提高了10.7%。结果表明在设计复合材料壳体时,借助该平台可以针对螺旋层的滑移系数进行优化设计,使产品达到最佳的力学性能。

关键词: 复合材料壳体, 有限单元法, 几何非线性, 非测地线缠绕, 优化设计

Abstract: Based on nonlinear finite element theory, the winding parameters of composite shell under internal pressure was optimized. Based on the conical shell element and thin shell theory, the strength analysis model of composite shell was established. The results were in agreement with the hydraulic test results of solid rocket motor case, and the comparison results with the commercial finite element software ABAQUS show that the model has high computational efficiency and can be used in the stress analysis of the composite shell and the burst pressure prediction. The strength analysis model and genetic algorithm were used to optimize the slip coefficient of non-geodesic winding of composite shell. The results show that the bursting pressure is the highest when the slip coefficient is 0.19, which is 10.7% higher than that of geodesic winding. The results show that this platform can be used to optimize the sliding coefficient of the spiral layer to achieve the best mechanical properties of the composite shell.

Key words: composite shell, finite element method, geometry nonlinear analysis, non-geodesic winding, optimization design

中图分类号:

TB332

祖磊, 范文俊, 张骞, 牟星, 吴世俊, 张桂明, 吴乔国, 耿洪波. 基于非线性有限元理论的复合材料壳体缠绕参数优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(10): 5-12.

ZU Lei, FAN Wen-jun, ZHANG Qian, MOU Xing, WU Shi-jun, ZHANG Gui-Ming, WU Qiao-guo, GENG Hong-bo. Optimization design of winding parameters of composite shell based on nonlinear finite element theory[J]. COMPOSITES SCIENCE AND ENGINEERING, 2022, 0(10): 5-12.

参考文献

[1] DINH V H, TRAN N T, VU T L, et al. Design of planar wound composite vessel based on preventing slippage tendency of fibers[J]. Composite Structures, 2020, 254(3): 112854.
[2] 程勇, 侯晓, 张世杰, 等. 纺丝工艺对炭纤维缠绕复合材料强度转化率的影响[J]. 固体火箭技术, 2017, 40(2): 239-243.
[3] HARADA S, ARAI Y, ARAKI W, et al.A simplified method for predicting burst pressure of type Ⅲ filament-wound CFRP composite vessels considering the inhomogeneity of fiber packing[J]. Composite Structures, 2018, 190(4): 79-90.
[4] 刘鎏, 张蕾蕾, 宋学宇, 等. 复合材料壳体挂机飞行一体化结构优化设计分析[J]. 固体火箭技术, 2019, 42(6): 679-685.
[5] PAKNAHAD A, FATHI A, GOUDARZI A M, et al. Optimum head design of filament wound composite pressure vessels using a hybrid model of FE analysis and inertia weight PSO algorithm[J]. International Journal of Material Forming, 2014, 9(1): 1-9.
[6] 颜标, 郭凯特, 校金友. 考虑渐进损伤的纤维缠绕复合材料圆筒铺层顺序优化设计[J]. 固体火箭技术, 2020, 43(4): 468-475.
[7] JI Z, CHEN J, ZHENG Y, et al. Dome shape optimization of filament-wound composite pressure vessels based on hyperelliptic functions considering both geodesic and non-geodesic winding patterns[J]. Journal of Composite Materials, 2016, 51(14).
[8] ZU L, XU H, JIA X L, et al. Winding path design based on mandrel profile updates of composite pressure vessels[J].Composite Structures, 2020, 235: 111766.
[9] 尤军峰, 刘浩, 王春光. 固体火箭发动机复合材料壳体细观力学仿真分析[J]. 固体火箭技术, 2018, 41(5): 549-555, 579.
[10] GOLUSHKO S. Mathematical problems of calculation and optimization of composite structures[J]. Journal of Physics: Conference Series, 2020, 1666(1): 012012.
[11] 王震鸣, 刘国玺, 吕明身. 各向异性多层扁壳的大挠度方程[J]. 应用数学和力学, 1982(1): 49-65.
[12] DONA C, ARGHYA G, DI-PANKAR C. Finite element prediction of firstply failure loads of composite thin skewed hypar shells using nonlinear strains[J]. Thin Walled Structures, 2021, 167: 108159.
[13] 孙雪坤, 郭艳阳, 杜善义, 等. 纤维缠绕固体火箭发动机壳体的应力及强度分析[J]. 复合材料学报, 1997(1): 116-121.
[14] 徐后华, 洪志泉, 王毅. 三种复合材料回转壳元素的分析比较[J]. 国防科技大学学报, 1986(4): 77-88.
[15] S.铁摩幸柯, S.沃诺斯基. 板壳理论[M].《板壳理论》翻译组, 译. 北京: 科学出版社, 1977: 573-609.
[16] LAKSHMINARAYANA H V. Finite element analysis of laminated composite shell junctions[J]. Computers & Structures, 1976, 6(1): 11-15.
[17] 王勖成. 有限单元法[M]. 北京: 清华大学出版社, 2003: 378-386.
[18] KARMAN T V, TSIEN H S. The buckling of thin cylindri-cal shells under axial compression[J]. Journal of Spacecraft and Rockets, 2003.
[19] JU J, PICKLE, D BRENT, et al. An initial and progressive failure analysis for cryogenic composite fuel tank design[J]. Journal of Composite Materials, 2008, 42(6): 569-592.
[20] MOHAMMADREZAZADEH S, JAFARI A A. Nonlinear vibration analysis of laminated composite angle-ply cylindrical and conical shells[J]. Composite Structures, 2021, 255: 112867.
[21] 矫维成, 王荣国, 刘文博, 等. 纤维缠绕复合材料压力容器封头厚度预测[J]. 复合材料学报, 2010, 27(5): 116-121.
[22] HONG N T. Nonlinear static bending and free vibration analysis of bidirectional functionally graded material plates[J]. International Journal of Aerospace Engineering, 2020(4): 1-16.
[23] 刘北辰. 工程计算力学-理论与应用[M]. 北京: 机械工业出版社, 1994: 435-465.
[24] KOUSSIOS S,BERGSMA O K, MITCHELL G. Nongeodesic filament winding on generic shells of revolution[J]. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part L: Journal of Materials Design and Applications, 2005, 219(1): 25-35.
[25] 祖磊, 金书明, 张骞, 等. 基于精细化模型的纤维缠绕压力容器失效行为及容积特性影响因素分析[J]. 复合材料科学与工程, 2021(12): 40-47.

基于非线性有限元理论的复合材料壳体缠绕参数优化设计

Optimization design of winding parameters of composite shell based on nonlinear finite element theory

PDF (PC)

可视化

摘要/Abstract

引用本文

使用本文

参考文献

相关文章 15

编辑推荐

Metrics

本文评价

[1]	苏桐, 胡果馨, 刘振. 全碳纤维复合材料太阳能无人机机翼结构优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2024, 0(3): 79-83.
[2]	王征, 董九志, 陈云军, 蒋秀明. 碳纤维增强坩埚预制体缠绕线型轨迹研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(7): 112-119.
[3]	张宝升, 王军利, 刘志远, 李金洋, 冯钰茹. 大展弦比复合材料机翼几何非线性静气动弹性研究[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(4): 78-86.
[4]	周勇军, 邱宇鸿, 李红周. 混杂碳/玻纤维复合材料自行车轮辋的铺层优化分析及抗疲劳验证[J]. 复合材料科学与工程, 2023, 0(11): 70-77.
[5]	赵雄翔, 孙鹏文, 李建东. 基于应变能的风力机叶片铺层结构优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(7): 20-24.
[6]	祖磊, 牟星, 张骞, 范文俊, 吴世俊, 吴乔国, 张桂明, 耿洪波. 基于板壳理论的纤维缠绕壳体结构设计分析[J]. 复合材料科学与工程, 2022, 0(12): 5-16.
[7]	田可可, 李成, 胡春幸, 郭建. 基于响应面法的CFRP层合板挖补修理结构的单目标优化[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 22-30.
[8]	奚旺, 葛庆, 肖康, 张骞, 祖磊. 挠度对大长径比复合材料壳体缠绕成型质量影响研究[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(9): 55-61.
[9]	马森, 赵启林, 施丽铭, 单成之. 基于改进差分进化算法的复合材料结构优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(3): 14-20.
[10]	沈浩杰, 陈刚, 夏杨. 某型无人机复合材料机翼结构尺寸优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(12): 82-88.
[11]	胡正云, 陈明和, 潘勃. Ⅳ型70 MPa气瓶非测地线缠绕强度分析与爆破试验[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(11): 94-101.
[12]	马森, 赵启林, 柯敏勇, 施丽铭, 穆思奇. 基于分区域优化模型的复合材料纺锤杆结构优化设计[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(1): 13-18.
[13]	林鹏, 姚刚, 罗剑岚, 王明, 蔡计杰, 惠述俭, 俞伊姗. 气密载荷下高铁司机室结构强度分析及优化[J]. 复合材料科学与工程, 2021, 0(1): 107-111.
[14]	郭小锋, 齐剑峰, 黄鑫祥. 玻碳混杂低风速风电叶片结构优化及性能分析[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(6): 25-29.
[15]	王轩, 许诺, 周春苹, 丁常方, 邓云飞. 考虑就位效应的复合材料层合板自适应遗传算法铺层优化[J]. 复合材料科学与工程, 2020, 0(12): 15-20.