Конечный элемент для моделирования напряженно-деформированного состояния двухслойных осесимметричных оболочек

Abstract

Предмет исследования. Проведение расчетов конструкций из композитных материалов требует использования численных методов. Применение метода конечных элементов связано с проблемами аппроксимации поверхности. Использование объемных и пластинчатых элементов приводит к системам значительных размерностей, что требует большого объема вычислений и машинных ресурсов. В этой связи авторами рассматривается и предлагается методика построения математической модели для осесимметричного конечного элемента многослойных элементов конструкций. Метод. Для проведения расчетов предлагается осесимметричный конечный элемент, использующий соотношения для внутренней работы каждого слоя в отдельности, что позволяет учитывать геометрическую и физическую нелинейности, а также неоднородность по слоям оболочки. На основе метода конечных элементов с использованием принципа возможных перемещений и гипотез Кирхгофа-Лява построена дискретная математическая модель. В качестве конечного элемента выбран эрмитов элемент. В качестве искомой величины рассматривается прогиб конической оболочки. Основные результаты. Для верификации предложенной математической модели рассмотрены однослойная и двухслойная коническая оболочки, для которых известны аналитическое и численно-аналитическое решения соответственно. Максимальная погрешность решений не превышает 5,4% при количестве конечных эле- ментов, равном 30. По сравнению с существующими типами элементов предлагаемый элемент позволяет уменьшить размерность матрицы жесткости, что приводит к экономии машинных ресурсов и позволяет достичь заданной точно- сти расчетов при меньшем числе узлов. Вследствие этого значительно уменьшается время нахождения решения. Практическая значимость. Предлагаемую модель можно использовать при расчете многослойных конструкций под действием осесимметричных нагрузок - композитных баллонов высокого давления, цилиндрических стеклопластиковых труб, резервуаров для хранения взрывчатых и огнеопасных веществ, нефте- и газохранилищ.

Subject of Research. Computation of composite material designs requires application of numerical methods. The finite- element method usage is connected with surface approximation problems. Application of volumetric and laminar elements leads to systems with large sizes and a great amount of computation. The objective of this paper is to present an equivalent two-layer mathematical model for evaluation of displacements and stresses of cross-ply laminated cone shells subjected to uniformly distributed load. An axially symmetric element for shell problems is described.

Method. Axially symmetric finite element is proposed to be applied in calculations with use of correlation for the inner work of each layer separately. It gives the possibility to take into account geometric and physical nonlinearities and non-uniformity in the layers of the shell. Discrete mathematical model is created on the base of the finite-element method with the use of possible motions principle and Kirchhoff-Love assumptions. Hermite element is chosen as a finite one. Cone shell deflection is considered as the quantity sought for. Main Results. One-layered and two-layered cone shells have been considered for proposed mathematical model verification with known analytical and numerical analytical solutions, respectively. The axial displacements of the two-layered cone are measured with an error not exceeding 5.4 % for the number of finite elements equal to 30. The proposed mathematical model requires fewer nodes to define the finite element meshing of the system and much less computation time. Thereby time for finding solution decreases considerably. Practical Relevance. Proposed model is applicable for computation of multilayered designs under axially symmetric loads: composite high-pressure bottles, cylinder shaped fiberglass pipes, reservoirs for explosives and flammable materials, oil and gas storage tanks.