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

本文通过开展纤维缠绕压力容器水压爆破试验,结合数值仿真分析,探究其失效机理并分析了影响压力容器容积特性的因素。通过三维扫描仪测量出缠绕层的实际轮廓,对比三次样条公式预测的厚度,结合有限元软件Abaqus及Python脚本文件,给出了一种纤维缠绕压力容器的精细化建模方法,该方法直观且准确地描述每一个纤维缠绕层,通过在纤维缠绕层间加入内聚力单元表征层间损伤情况,利用三维Hashin失效准则对单元刚度进行衰减来实现复合材料层渐进失效分析,从而更加精确地预测压力容器的爆破压强;并结合试验测试结果对纤维缠绕压力容器失效行为进行分析;最后,基于该数值模型,开展了压力容器容积特性影响因素分析。结果表明:①三次样条厚度预测方法能较为准确地预测测地线纤维缠绕层在封头处的厚度分布情况;②采用缠绕层逐层建立并在层间插入黏性层单元,结合Hashin失效判据的渐进损伤计算方法,能够精准、全面以及直观地判断压力容器的各种损伤情况;③压力容器水压实验打爆结果为76 MPa,与有限元计算结果误差为3.3%,且位移应变结果与实际测量值误差在10%以内,表明通过载荷位移曲线破坏位置的位移突变确定爆破压强是合理的;④对于Ⅲ型压力容器,可以通过增大设计爆压提高容器的容积特性系数,且相同容积的压力容器的容积特性随着长径比的增加而减小。