复合材料层合结构强度比分析与评价.docx

复合材料层合结构强度比分析与评价摘要：通过对氧化塔筒体的单层结构和层合结构进行有限元模拟计算的方法来研究目前有关复合材料设计中常用的国内外两种不同的强度准则之间的关系通过对最小安全系数和最小强度比的比较和分析得出结论：在工程上对于大型储罐的设计用国内的最大应力准则比较准确安全。国外ASME标准中的强度比为1.6的标准要谨慎运用。关键词：复合材料强度准则最小强度比最小安全系数中图分类号：TB332文献标识码：A文章编号：1007-3973（2013）002-030-021引言复合材料越来越被人重视应用也越来越广。在复合材料结构设计中结构的安全性是一个很重要的因素也是设计者非常重视的问题。我们通常用强度比和安全系数来衡量结构的安全状况。然而目前国内外相关标准中有关复合材料层合结构强度比的准则并不同。目前国外使用的相关准则为“蔡-吴准则”而国内主要采用最大应力和最大应变准则。但是目前并没有专门的理论知识来介绍这两类强度准则的联系与差别。例如：在针对储罐设计时国内的一般按结构的层合板的表观强度与实际表观应力之比进行分析一般取10倍。而美国的AMSE标准当容器不在极端条件使用时层合板的结构层的各层在各种荷载组合下的最小强度比为1.6在极端条件时各层最小强度比需为2而内衬的强度比一般取8～10。这两种强度准则有很大的区别。针对这种现状本文通过建立两种不同的有限元模型：一类是以层合结构的表观参数输入的氧化塔筒体的有限元模型（层合模型）另一类是以单层材料参输入的氧化塔筒体的有限元模型（单层模型）分别进行模拟计算分析结构的安全系数和强度比这两者之间的联系与差别。从而给出两种强度准则的比较和评价。2有限元计算分析2.1计算目的与计算内容对典型复合材料层合结构建立两类不同的有限元模型以直径为12m高度为12.94m的氧化塔筒体部分进行模拟。一类以层合结构的表观参数输入有限元分析模型（层合模型）另一类是以单层材料参数输入有限元分析模型（单层模型）。对于不同受力状态下两类模型分别进行强度计算获得结构的应力应变云图。分别对两种模型的应力强度安全系数进行计算并且对各层材料强度比进行计算。比较在同种受力状态下的强度比和应力安全系数之间的关系。2.2氧化塔的材料参数2.3荷载统计塔内液体压力统计荷载包括塔内液体压力和塔内设计压力塔内液压按静水压力施加液体密度为1200kg/m2塔内设计压力按3000kg/m2。2.4有限元模型3结果与分析对于工程上氧化塔模型的最大应变为环向应变并且都小于1000满足设计要求。这里就不再列表说明主要分析两种模型的强度。从以上计算结果可得到：在给定荷载作用下就层合模型自己比较在相同的工况下最小安全系数和最小强度比是非常接近的。工程上的设计要求在一般工况下最小安全系数不能小于10是满足设计要求的。与层合模型一样对于同种结构在相同的工况下单层模型结构层5和结构层4内衬的最小安全系数和最小强度比是非常接近的。而对于单层模型结构层的各层材料的最小安全系数和最小强度比可见表2表3。从表中数据可看到在两种工况下针织毡的最小安全系数小于10其它的各层材料最小安全系数均大于10。但就各层材料本身而言各层材料的最小安全系数和最小强度比也是很接近的。并且对于在不同铺层的同种材料它的各层最小安全系数和各层最小强度比的变化也都不大。比较单层模型和层合模型对于两种模型的相同结构层的内衬在同种荷载作用下最小安全系数和最小强度比的区别都不大。这两个值也是非常接近的。4结论从以上有限元的模拟分析按照最大应力准则设计的氧化塔模型满足内衬和结构层的应力最小安全系数大于10的前提下计算出来的单层模型和层合模型在同种应力状态下对两种模型自身而言各个部分的应力最小安全系数和最小强度比的大小很接近；对两种模型之间比较他们内衬的强度很接近并且各自的应力最小安全系数和最小强度比的大小也很接近。因此可以得出结论：（1）结构的应力安全系数与强度比的关系与结构的应力状态及材料的强度有关。（2）在复合材料设计中对于氧化塔这种大型储罐结构的应力最小安全系数与最小强度比是很接近的。对于类似这种大型结构的设计用国内的最小应力安全系数为10的标准比较准确安全。（3）在工程中类似氧化塔的大型储罐的复合材料结构设计时国外ASME标准中的最小强度比为1.6的标准需要谨慎运用。参考文献：[1]陈建桥.复合材料力学概论[M].北京：科学出版社2006.[2]ASMERTP-