基于有限元分析方法的储罐复合材料涂层修复评估技术

韩新宇

摘   要：复合材料是人们运用先进的材料制备技术将不同性质的材料组分优化组合而成的新材料。由于其优异的性能，广泛应用于国防工业、航空航天、精密制造、電子芯片等高技术行业。复合材料涂层是作为承力结构使用的一种特殊复合材料。复合材料的各向异性和非线性特性使得传统方法对材料的模拟和评估十分困难。本文依托某储罐腐蚀修复项目，利用非线性有限元技术，建立了复合材料涂层理论和数值模型，完成了涂层修复结构的安全裕度和极限强度。目前该项目运行平稳，相关技术在国内具有领先水平。

关键词：复合材料  储罐修复  非线性有限元  数值模拟  安全裕度  极限强度

中图分类号：TE973                                 文献标识码：A                        文章编号：1674-098X（2019）08（a）-0103-02

复合材料是由一种以上具有不同性质的材料构成的，其主要优点是具有优异的材料性能。复合材料具有比强度大、比刚度高、抗疲劳性能好、各向异性以及材料性能可设计的特点。复合材料可用于飞机机翼、尾翼，发动机机匣、叶片等结构设计，也是用于压力容器、风力发电叶片等民用结构的先进材料。

1  薄壁复合材料的刚度和柔度矩阵

2  有限元复合材料分析技术

在经典的有限元程序中，复合材料可以使用各向异性单元来模拟，此外还有专门的分层单元（Layer Element）来模拟层和结构的复合材料。

ANSYS Composite PrepPost（ACP）是集成于ANSYS Workbench环境的全新的复合材料前/后处理模块。可以与ANSYS其它模块实现数据的无缝连接，在处理层压复合材料结构方面具有强大的功能。ACP具有强大的结果后处理，可获得各种分析结果如层间应力、应力、应变、最危险的失效区域等，还能够实现多方案的分析对比等。

ACP提供了丰富的复合材料失效分析方法和准则。

（1）计算每一层的危险系数（IRF），安全系数（RF）和安全范围（MOS）;

（2）失效模式任意组合;

（3）最大应力准则，最大应变准则，Tsai-Hill准则，Tsai-Wu准则，Hashin准则，LaRC准则和Cuntze准则;

（4）二维和三维的UD和编织材料的PUCK准则;

（5）三明治结构的内核失效和面板折皱失效。

（6）多工况组合

3  项目背景

某平台上钢质撇油器和浮选器各三台，由于防腐措施不当，造成局部地方腐蚀，壁厚由22mm降到3.7～4.8mm左右。因此制定加强修复方案：在腐蚀区域外表面刷贝尔佐纳1111涂漆，烘干后形成具有一定厚度和强度的粘结层，共同参与罐壁承载，增加罐壁强度。贝尔佐纳1111，双组分糊剂级涂层系统，以硅钢合金为基础，混合有高分子量反应性聚合物和低聚物。固化后可完全机械加工。该涂层为非金属高分子复合材料，与钢铁有较大区别，能够保证修复结构的剩余强度和使用寿命。涂层材料力学性能数据由厂家提供。

4  有限元建模和计算

4.1 建模和基本假定

建立储罐模型基本方法：对于非涂层罐壁处，采用钢的本构关系和材料属性，并扣除腐蚀厚度。对于涂层加强区域，假定涂层与钢质罐壁紧密粘合，无相对滑移，共同参与变形，可将其等效为成层复合材料，利用ANSYS的分层单元（Layer Element）来模拟，分别赋予钢材和涂层的材料属性。储罐为压力容器结构，钢质罐壁可能发生屈服失效。涂层材料极限拉压强度失效。

经过初步评估，筛选出储罐最危险的两个区域（壁厚最薄和面积最大）并模拟，同时储罐承受0.143 MPa操作压力，并在支座处约束。

4.2 软件计算结果

软件计算结果包括位移和应力，最大位移为1.2494mm，应力结果汇总如表1所示。

校核UC值汇总如表2。

4.3 手工校核结果

对于软件无法校核的涂层粘结应力校核，则采用手工校核。结果显示结构强度和涂层粘结强度满足要求，如表3所示。

5  结语

本项目的成功实施证明了有限元分析结果的合理和正确性，基于目前条件下的基础数据和假定条件，通过对储罐和涂层有限元模拟，分析结构强度和粘结强度，可以得到如下几条结论：

（1）在目前状态下，储罐和涂层有足够的强度承受0.143MPa的操作压力。

（2）在目前状态下，如果腐蚀区域内钢制罐壁失效，储罐和涂层仍有足够的强度和粘结力承受0.143MPa的操作压力。

（3）在目前状态下，如果腐蚀区域内钢制罐壁失效，腐蚀区域会出现较大变形（最大约25.156mm），可能会影响储罐的正常使用状态。

同时结合分析结论，给出以下几条使用建议。

（4）严格控制储罐操作压力在0.143MPa下，而不是原设计压力下。

（5）涂层半径建议超过腐蚀半径200mm及以上，厚度超过原壁厚5mm及以上。

（6）做好日常使用监测和定期腐蚀厚度、涂层状态等检测，及时反映储罐运行状态。

（7）做好剩余寿命评估工作，保证储罐在使用期内有足够的剩余寿命。

目前国内针对高分子复合材料涂层修复效果评估技术研究较少，应用也较少，希望本文的研究成果能够为国内高分子复合材料涂层修复效果评估提供借鉴意义。

参考文献

[1] 范建华，许庆余，孙秦，等.一种通用的计算复合材料刚度的有限元方法[J].工程力学，2002，19（4）：166-170.

[2] 丁坤英.利用有限元方法分析复合材料表面铝涂层的结合性能[J].焊接技术，2011，40（11）：21-24.

[3] 贺子腾，张伟，马万鹏，等.微胶囊埋植型自修复涂层研究进展[J].材料导报，2018，32（S1）：305-311.