复合材料压力容器的可靠性优化设计研究

复合材料压力容器的可靠性优化设计研

究

摘要：由于复合材料结构自身以及其在实际工程中需要承受的载荷均具有

很强的不确定性，在对这种不确定性进行考虑时首先是对常见的不确定性进行考虑，通过概率可靠性对复合材料结构展开随机可靠性分析，然后以随机可靠度作

为对复合材料容器进行优化的主要依据，从而对其进行优化设计。

关键词：复合材料；压力容器；随机可靠性分析；优化设计

由于复合材料自身具备较多的优点，所以目前在我国的各个领域中都得到了

广泛的应用，但是因复合材料结构的内部构成成分较为复杂，这使复合材料与其

他材料相比，具有更强的不确定性。不确定性问题其实也是随机性问题，因而在

对其进行随机分析时，首要的工作就是确定好每一个随机参数的概率密度函数，

这时就需要对概率信息进行统计，并将这些数据作为确定概率密度函数的主要依据，通过分析就能预测出复合结构压力容器的可靠性，从而为符合机构压力容器

优化设计工作提供科学的指导。

1.压力容器模型及可靠性分析依据

1.1压力容器模型

在构建压力容器壳体结构模型时，可以采用有线元分析软件中的某一单元类

型进行构建，压力容器结构的具体参数如下：T800碳纤维、总计8层的正交铺设，层的厚度为1mm，球形的封头直径约为350mm，筒体段是外径为350mm、长为

500mm的圆柱，内压的载荷应设计为3.2MPa。因为压力容器是一个对称的模型，

所以在进行计算时为了避免计算时间过长，所以可以利用限元模型的1/2来完成

分析和计算工作，同时还需对球形封头的顶端进行固定和约束。另外，后续在进

行蒙特卡洛模拟时还需多次迭代，值此期间为了能够有效地提升计算速度，那么

就必须选择较为合理的有限元网格数量，再利用最大环向应变值与之进行比较，

通过比较后可以发现选用2000个网格对有限元模型进行划分最为合适，而且以这种划分方式进行划分得到的结果准确性更高，也更为保守，出现结构实效的可能性也较小。

1.2可靠性分析依据

环向位移发生的部位一般是在具有固定直径的直筒段或不具备固定直径的球形封头与直筒段相互结合的位置上，而最大环向位移更容易发生在曲率半径出现变化的位置上，所以在这个位置上更容易出现结构实效的情况。一般情况下，应力和应变的变化趋势几乎和环向位移的变化趋势是完全相同的。因此，在进行可靠性分析时可以将环向最大总应变作为主要的分析依据，只有计算所得结果数值小于许用值时，就能计算出较为准确的可靠度。

2.基于有线元分析软件的压力容器可靠性分析

利用有线元分析软件进行优化设计时，需要构建参数化有限元分析文件包，构建的内容包括单元类型的选择、材料特性参数的选择、模型的建立、实常数的输入、确定荷载。

蒙特卡洛模拟法是一种数学方法，其在应用过程中主要是以统计学原理为依据去解决相关问题，同时也是衡量随机可靠性结果准确性的唯一方法。

在实际的工程中，出于对结构所承受的外部荷载力、自身结构参数、弹性模量参数、剪切模量参数以及内压力载荷等方面的考虑，可以默认所有参数均服从正态分布，在极限状态下的函数应为：

Z（X）=e s-e max

当Z（X）值小于0时，则为失效状态，所以该结构的可靠度一般是Z（X）大于0时的概率，e s代表着复合材料层合板在设计载荷作用下的拉伸应变，e max 则代表环向最大总应变。

在对环向最大总应变进行5000次的模拟计算后，当迭代的次数达到3750次之后的环向最大总应变就不会发生变化，几乎处于保持不变的状态，此时也代表

迭代次数的数量已经足够充分，所以为了使精度和计算率都能得到提高，在后续

的模拟中可以将迭代的次数设置为4000次。

1.优化设计的基本原理

优化设计作为近几年出现的一门新兴学科，在解决某些复杂的问题时，能够

以一种定量的方式从很多的设计方案中找到最为合适的设计方案，所以在工程实

际中的应用频率也越来越高。优化设计是在数学规划和计算机作用下形成的一种

产物，在优化的过程中可以将设计变量表示成产品的性能指标或运动参数指标，

这些指标也被称作目标函数，而那些具有限制范围功能的其他附加条件则被称作

约束条件。因此，我们可以将优化设计视为是一个寻找目标函数，且将设计变量

进行随机组合的一种数学方法。所以在进行优化设计时，最重要的工作就是将目

前存在的设计问题转化成优化设计的数学模型。

4.基于可靠度的优化设计

在开展优化分析工作之前，必须要对输入参数的灵敏度进行分析，从而找出

对结果造成较大影响的输入参数，对于那些影响较小的参数，我们可以予以忽略，这样才能确保计算效率得到有效的提升。通常情况下，对于那些灵敏度大于2.5%

的参数会被称作显著影响参数，而那些灵敏度小于2.5%参数，则在计算时可以忽

略不计。通过对输入参数的灵敏度进行分析发现，输入参数E x、p、h都是显著影响因素，其中E x、h呈现着负相关性，p则呈现出了正相关性，其它参数可以忽

略不计。

在进行优化设计时，E x是一个设计便梁，p是状态变量，h则是目标变量。

内压力载荷p应为3.2MPa，通过10的迭代之后，就会得到相应的优化结果，然后再将优化结果代入到可靠性模型进行验证与分析，通过验证之后，发现可靠

度高达99%。在优化结果中发现h的数值要比最初的单层厚度要小，这样就能使

材料力学性能够得到充分的发挥，以此为基础，不仅能够节省材料，还能最大程

度的满足在可靠性方面的要求。

结束语：

综上所述，在复合材料压力容器的安全性能够得到保证的基本前提下，提高其自身的经济适用性可谓是一个非常重要的要求，本文以随机可靠性设计作为理论依据，通过蒙特卡洛模拟法构建了相应的数学模型，找到了对复合材料压力容器进行可靠性优化设计的方法，这样不仅能够有效降低在材料方面的消耗量，还能降低制造的成本，从而具有较为可观的经济效益。

参考文献

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