复合材料压力容器封头连接的建模及失效分析

王冰冰，林木，孟祥瑞

(大连海洋大学，辽宁 大连 116023)

0 引言

复合材料具有较高的比强度与比刚度，在航空航天领域的应用非常广泛[1-3]。在复合材料结构件的应用中存在各种结构连接，并且这些结构件的失效大多发生在连接位置上。封头连接位置的强度对于整个压力容器的耐久性及稳定性意义重大。因此，复合材料压力容器封头连接的破坏过程分析及失效机理研究是复合材料工程应用过程的重要问题[4]。目前，国内外研究人员对于复合材料压力容器封头连接结构的失效分析大多采用有限元分析方法。有限元分析的原理主要是通过材料退化建模及非线性方程求解[5]。在有限元渐进损伤分析原理方面，崔浩等[6]、PISANO A A等[7]通过研究复合材料接头损伤破坏，发现复合材料接头主要是剪切和拉断失效。黄河源等[8]研究了非线性面内损伤，并提出了三维混合失效模型，可将其用于模拟复合材料厚板螺栓连接的失效过程。综上所述，有限元分析方法已广泛用于复合材料连接结构失效的研究过程中。因此，为了对复合材料压力容器封头连接结构进行合理性研究，本文采用有限元分析软件ANSYS建立实验模型并对其进行计算仿真，从而分析复合材料压力容器封头连接结构的破坏形式和失效强度，为复合材料压力容器封头连接结构的设计提供理论依据。

1 研究方法

1.1 压力容器封头材料与结构

该航空飞行器压力容器封头(以下简称为封头)采用国内某复合材料，材料弹性模量等参数根据压力容器封头试样的性能试验确定，等效弹性模量为45 GPa、泊松比为0.29。其压力容器封头结构如图1所示。

图1 压力容器封头结构

该封头是使用沿圆周方向28个均布孔通过螺栓连接实现与堵盖之间安装和固定的，属圆周对称结构，因此在分析过程中为了减少计算量并对模型进行简化，选取1/14扇形区域进行分析。封头连接的强度不仅会受材质强度的影响，同时也会受结构尺寸效应、预紧力、搭接形式、螺栓选择、端径比等因素影响。因此在封头与螺栓的连接螺套采用台阶形式设计，这种结构能更好地承受螺栓的轴向载荷。封头链接形式如图2所示，其中堵盖、螺栓、螺套的材料为30CrMnSiA，等效弹性模量为205 GPa、泊松比为0.25。

图2 压力容器封头的链接形式

1.2 压力容器封头有限元模型

通过ANSYS有限元分析软件建立封头连接结构的有限元模型。网格采用四面体、六面体类型，单元尺寸分别是3 mm、5 mm 和 4 mm。如图3所示共有43 871 个单元，32 256个节点，材料属性按照上文提到的分别对封头、堵盖、螺栓、螺套进行材料设置。边界条件如图4所示，为封头外表面固定，并在两侧施加对称边界条件；堵盖的下表面与封头的上表面添加面接触摩擦系数为0.02。

图3 封头螺栓连接网格模型

图4 载荷和边界条件示意图

承压分析过程按照美国材料实验学会测试标准ASTMD6742执行[9]。为了测试复合材料压力容器封头结构的强度，根据实际工作中堵盖承受10.2 MPa压力，本文模拟了两种工况：其一，根据实际工作压力对堵盖内表面施加内压10.2 MPa；其二，对堵盖内表面进行15%的过载施加内压14.1 MPa，进行计算。

2 结果与讨论

2.1 压力容器内压10.2 MPa计算结果

压力容器封头在10.2 MPa内压的作用下，顶盖中心位置拱起的最大位移约为2.5 mm。连接螺栓承受拉弯耦合作用，在螺栓端头帽下方发生了塑性变形，最大塑形应变如图5所示，为1.42%。在钢螺套与封头连接区内，两个台阶部位主要承受来自螺栓的拉弯载荷。通过分析可以发现封头与钢螺套的连接部位受力并不均匀，靠近外侧应力较大，从轴向应变数据来看，螺套连接处的上台阶面附近拉应变约为4 600 με。

图5 内压10.2 MPa作用下整体位移分布

2.2 压力容器内压14.1 MPa计算结果

压力容器封头在14.1 MPa内压作用下，顶盖中心位置拱起的最大位移约为3.5 mm。连接螺栓主要承受拉弯耦合作用，在螺栓端头帽下方发生了塑性变形，最大塑形应变如图6所示，为3.4%。钢螺套与封头连接区，两个台阶部位主要承受来自螺栓的拉弯载荷。通过分析可以发现压力容器封头与钢螺套的连接部位受力并不均匀，靠近外侧应力较大，螺套连接处的台阶面附近拉应变约为6 200 με。

图6 内压14.1 MPa作用下整体位移分布

2.3 压力容器封头的破坏模式

复合材料连接的挤压失效是发生在局部的失效，不会引起大面积崩溃失效，相对来讲是较为安全的失效形式。因此，在复合材料螺栓结构的设计中，应尽可能地使用构件发生挤压失效或包含挤压失效的组合失效模式，从而保证结构件具有较高的稳定性和安全性[10]。如图7所示，在压力容器封头承压对比实验中，螺栓连接的轴向应变随内压的增加逐渐变大，强度破坏风险也逐渐增加。

图7 压力容器应变分布对比

3 结语

通过有限元分析方法研究压力容器封头连接结构的失效过程，分析复合材料压力容器封头连接的失效机理，发现其中螺栓强度、材料强度以及螺栓宽径比等因素，均会对压力容器封头的失效过程产生影响，以此可为压力容器封头连接结构设计提供了一种理论参考依据。

1)压力容器封头的台阶式螺套传力较为合理，该结构形式不容易从基体中拉脱，是较为合理的结构形式。

2)压力容器封头在10.2 MPa内压作用下，螺栓塑形应变为1.42%，塑性区占整个剖面的比例较小，无强度风险。封头与螺套的连接区，靠近上台阶附近轴向应变约为4 600 με。

3)压力容器封头在14.1 MPa内压作用下，螺栓塑形应变为3.4%，塑性区基本贯穿整个剖面，螺栓有一定强度破坏风险。封头与螺套的连接区，靠近上台阶附近轴向应变约为6 200 με。