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本項目所研制的復(fù)合材料透波蓋外形為一盆狀近似旋轉(zhuǎn)體的結(jié)構(gòu)，由兩部分復(fù)合而成:主體部分為聚合物基復(fù)合材料；上端部為一金屬薄板。金屬薄板的功能是提高透波蓋的整體剛度，同時承受緊固螺栓的擠壓應(yīng)力。面3和面4分別為半徑1.10mm和半徑1.06mm的柱面。由于透波蓋的整體結(jié)構(gòu)并非旋轉(zhuǎn)體，所以，必須對其整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分。網(wǎng)格由有限元分析軟件的前處理子程序自動生成。金屬薄板部位由于每隔30度布置一個螺栓孔，易于產(chǎn)生應(yīng)力集中，所以此部位網(wǎng)格作了加密，采用混合有限元法對其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)劃分。金屬薄板部位采用4節(jié)點6自由度四面體單元，共生成17193個元素。復(fù)合材料主體部位采用3維10節(jié)點四面體單元，共生成10302個元素。
透波蓋在實際工作中底面要承受水壓，其承載工況為一均布面載荷，在有限元分析模型中由有限元分析軟件自動將載荷轉(zhuǎn)化在透波蓋底面的各個節(jié)點上。透波蓋通過上端部的12個螺栓孔由螺栓緊固后和剛性支撐件相連接。此處近似的將螺栓孔側(cè)面處理成零位移的剛性約束。由于柱面5受支撐部件的限制不能沿徑向膨脹，只能沿軸向產(chǎn)生位移，所以將柱面5處理成除軸向自由度外其它為零位移的約束。
聚合物基復(fù)合材料為斜紋布鋪層，可視為正交各向異性材料，其參數(shù)的選取參考有關(guān)材料試驗和材料手冊資料確定如下。
當(dāng)有限元模型建立后，按以上參數(shù)給定位移邊界條件和載荷值，分別給定金屬薄板及復(fù)合材料的性能參數(shù)，對有限元模型進(jìn)行計算，由軟件中的處理子程序根據(jù)計算結(jié)果生成數(shù)據(jù)文件和圖形文件。從數(shù)據(jù)文件中可以讀出各個元素節(jié)點上的應(yīng)力、應(yīng)變。同時，從數(shù)據(jù)文件中通過分析能夠得到透波蓋任何部位的應(yīng)力分布曲線和奮形。從而找出應(yīng)力分布規(guī)律和最大奮形部位及最大奮形量。計算結(jié)果顯示最大變形區(qū)域為底面的中心處，最大垂直位移發(fā)生在中點，為0.87mm。
從應(yīng)力分布圖中可以看出透波蓋的應(yīng)力分布特點即：在透波蓋的底面4上由外向內(nèi)逐漸由拉應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)閴簯?yīng)力，在中心處壓應(yīng)力達(dá)到最大值；面3受拉應(yīng)力作用在中心處拉應(yīng)力達(dá)到最大值；面2主要承受壓應(yīng)力，在螺紋孔部位承受拉應(yīng)力且有應(yīng)力集中現(xiàn)象；面1在邊沿處受拉應(yīng)力，向內(nèi)承受均勻壓應(yīng)力。透波蓋承載時所產(chǎn)生的幾個高應(yīng)力區(qū)及該區(qū)域的最大應(yīng)力；將計算所得的應(yīng)力值代入，張量準(zhǔn)則進(jìn)行核算比較安全。
按實際尺寸制成透波蓋試件，在壓力試驗機(jī)(YB32-100)上進(jìn)行結(jié)構(gòu)抗壓性能試驗。透波蓋通過螺栓固定在件2上。為了能夠加壓均勻，壓頭的形狀要和透波蓋底面相吻合。在加載過程中利用聲發(fā)射儀(CSAE 2001)監(jiān)測是否產(chǎn)生內(nèi)部損傷。壓強(qiáng)換算成壓力試驗機(jī)的設(shè)定壓力為9.67，加載速度為0.3mm/s實測的加載壓力和透波蓋底面中心處的位移。從表中可以看出，透波蓋的變形在線性彈性范圍內(nèi)，其產(chǎn)生的最大變形量為0.7mm，與計算結(jié)果基本相符合。最大垂直位移的產(chǎn)生部位與理論計算所得部位相同。從聲發(fā)射儀記錄結(jié)果可以看出，沒有內(nèi)部損傷產(chǎn)生。
(1)有限元分析結(jié)果和試驗研究，透波蓋底面承受3MPa的壓力時，其最大垂直位移部位在底面中心處，理論最大垂直位移為0.87mm，實測值為0.74mm。
(2)分析結(jié)果代入張量準(zhǔn)則進(jìn)行核算，比較安全。
(3)螺栓孔部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。
(4)理論計算結(jié)果和實驗結(jié)果基本相符。
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