基于CATIA的壓力容器封頭復(fù)合材料應(yīng)用分析

黑龍江工程學(xué)院 汽車與交通工程學(xué)院 呂德剛 侯志平 龔子棋 楊敏

在化工設(shè)備中，一些容器的功能需要通過頻繁啟閉來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)還需要能承受一定的工作壓力，通常情況下，這些壓力容器封頭都是金屬制造的，因此在設(shè)計(jì)過程中，主要考慮其變形量的大小，復(fù)合材料的應(yīng)用，不但能減小其變形量，還能降低其傳熱性、減輕重量，對(duì)于提高壓力容器封頭的性能有較大幫助。

一、前言

CATIA被廣泛用于航空、航天、汽車和模具等領(lǐng)域。無論是在零件設(shè)計(jì)、復(fù)合材料分析、應(yīng)力分析等方面，都有較強(qiáng)的處理能力。該軟件的主要優(yōu)勢(shì)在于，它能在滿足零件設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，充分優(yōu)化設(shè)計(jì)方案?？梢跃_、方便地建立、修改3D幾何模型。同時(shí)還擁有處理復(fù)雜曲線和曲面的能力，與應(yīng)力分析、運(yùn)動(dòng)分析組合在一起，極大地增加了裝配件的設(shè)計(jì)速度，可擴(kuò)展性極好，有利于后續(xù)改進(jìn)設(shè)計(jì)。

二、封頭的三維設(shè)計(jì)

對(duì)于壓力罐體來說，其上安裝的封頭一般都采取了傳統(tǒng)的螺栓加彈性墊片連接方式。而且傳統(tǒng)壓力容器都是鋼制的，近年來隨著復(fù)合材料的迅猛發(fā)展，其強(qiáng)度、剛度完全可以代替鋼制容器，復(fù)合材料還有質(zhì)量輕、不易生銹等優(yōu)點(diǎn)，獲得了廣泛青睞。

本文利用CATIA設(shè)計(jì)軟件對(duì)某復(fù)合材料模壓方形蓋體進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及模具設(shè)計(jì)。圖1為某復(fù)合材料方形蓋體的結(jié)構(gòu)示意圖，該復(fù)合材料方形蓋體形狀復(fù)雜，要求將均布6點(diǎn)固定，內(nèi)部承受特定壓力的情況下，圓角尺寸對(duì)于封頭的變形影響較大。因空間所限及罐體的配合要求，封頭的高度、直徑無法改變，在此初設(shè)圓滑過渡角R100，只要變形尺寸小于0.1mm，受壓后應(yīng)力極限滿足材料的安全要求即可。

圖1 過渡角初選

圖2 封頭外形圖

1、 封頭三維建模

根據(jù)圖1所示的結(jié)構(gòu)，利用CATIA設(shè)計(jì)軟件中的零部件設(shè)計(jì)模塊建立三維實(shí)體模型（圖2）。

2、定義材料屬性

進(jìn)入CATIA軟件中的Composit Design（復(fù)合材料設(shè)計(jì)）模塊，點(diǎn)擊增加材料按鈕，打開相應(yīng)材料庫，如圖3所示。設(shè)定封頭材料為GLASS，如圖4所示。將材料參數(shù)輸入復(fù)合材料屬性對(duì)話框Composits Parameter中。如圖5所示，在對(duì)話框內(nèi)設(shè)定材料參數(shù)，分別為（0，0）、（45，45）、（-45，-45）、（90，90）。設(shè)置完成后點(diǎn)擊確定，目錄樹上同時(shí)出現(xiàn)相應(yīng)參數(shù)設(shè)置，如圖6所示。

圖3 添加材料庫

圖4 復(fù)合材料選擇

圖5 復(fù)合材料設(shè)置

圖6 復(fù)合材料參數(shù)

三、有限元分析

1、網(wǎng)格劃分

進(jìn)入CATIA設(shè)計(jì)軟件中的Generative Structural Analysis（有限元結(jié)構(gòu)分析）模塊中，使用高級(jí)網(wǎng)格劃分工具進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如不手動(dòng)劃分網(wǎng)格，系統(tǒng)即自動(dòng)劃分網(wǎng)格，本設(shè)計(jì)采取自動(dòng)劃分方式。

2、約束與加載

首先對(duì)封頭模型進(jìn)行約束，對(duì)螺栓孔所在平面設(shè)定夾持Clamp約束，施加載荷在Loads（載荷）工具欄內(nèi)的Pressure（壓強(qiáng)）對(duì)話框中輸入30000N_m2（N/m2），在方形蓋體模型內(nèi)部施加0.03MPa的均勻壓力載荷，約束及加載標(biāo)志如圖7、圖8所示。

3、計(jì)算結(jié)果與分析

約束和加載完成后，點(diǎn)擊Compute（計(jì)算）工具便可對(duì)模型進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)束后，點(diǎn)擊“位移顯示”圖標(biāo)，顯示出變形量的位置、方向和大小，具體數(shù)值如圖9所示。可見最大變形位置在頂部，最大變形量為0.0221mm。

圖7 復(fù)合材料選擇

圖8 復(fù)合材料設(shè)置

同時(shí)還應(yīng)進(jìn)行應(yīng)力分析，防止復(fù)合材料不能滿足壓力載荷下的安全性需要。對(duì)模型進(jìn)行馮米斯應(yīng)力分析，應(yīng)力圖如圖10所示。

圖9 復(fù)合材料參數(shù)

圖10 復(fù)合材料參數(shù)

從圖10中可以看出，最大應(yīng)力處于頂端，僅2.49MPa，玻璃纖維的強(qiáng)度高達(dá)數(shù)千兆帕，故安全性能完全能夠保證。

四、結(jié)語

采用CATIA軟件多個(gè)模塊組合進(jìn)行的壓力容器封頭設(shè)計(jì)成功，所設(shè)計(jì)的復(fù)合材料封頭，具有質(zhì)量輕、變形小、不易導(dǎo)熱的特點(diǎn)。隨著新技術(shù)的普及和應(yīng)用，部分傳統(tǒng)的加工方式也必須不斷更新，使用復(fù)合材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料是完全可行的。CATIA作為在三維設(shè)計(jì)領(lǐng)域的一種專業(yè)軟件，在零件受力分析、復(fù)合材料應(yīng)用等方面，都有較強(qiáng)的處理能力，可以在各種創(chuàng)新設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用。