【原】基于 WCM 插件及Puck准则的 IV 型复合材料压力容器渐进失效分析

1.引言

复合材料压力容器，特别是IV型容器，因其高强度、轻量化和耐腐蚀性，在存储压缩气体如氢气等领域具有广阔的应用前景。然而，这些容器在制造和使用过程中可能面临多种挑战，如复合材料与内衬之间的脱粘、复合材料的渐进失效等。目前，虽然已有多种数值分析方法用于复合材料压力容器的设计和分析，但在准确模拟复合材料的渐进失效行为方面仍存在挑战。特别是，如何考虑制造过程中的温度变化、材料属性的非线性变化以及复合材料的各向异性等问题，一直是该领域的研究热点。

2022年，《Engineering Failure Analysis》期刊发表了伊朗伊斯法罕大学工程学院机械工程系在IV复合材料压力容器的渐进失效行为方面的研究。文章基于Puck失效准则及Abaqus WCM插件，准确地对IV型复合材料压力容器进行了渐进失效分析。论文标题题为“Development of Abaqus WCM plugin for progressive failure analysis of type IV composite pressure vessels based on Puck failure criterion ”。

2. 研究内容及方法

该研究主要围绕类型IV复合材料压力容器的渐进失效分析展开，重点关注复合材料的应力分布、脱粘现象以及渐进失效机制。

图 1. IV 型复合材料压力容器。

研究人员使用Abaqus WCM插件进行渐进式失效分析，讨论了精确建模复合材料壳体和聚合物衬里脱粘等问题，以及复合材料圆顶的几何和材料特性表征。强调了IV型容器在储存压缩气体（如氢气）中的重要性。   

图 2.五种类型的车载气体燃料储存高压容器。

图 3.螺旋层绕罐轴线缠绕角度变化示意图。   

图 4. WCM 插件树和由 WCM 建模的 IV 型 CPV。

研究团队利用UVARM子程序分析铺层中的轴应力，并应用多种失效准则预测损坏，包括Tsai-Wu、Tsai-Hill、最大应力、Hashin和Puck准则。此外，采用 USDFLD 子程序来模拟基于 Puck 失效准则并结合材料退化模型的渐进失效分析 (PFA)。特别是在纤维缠绕区域和复合材料壳体的建模方面，以更准确地预测复合材料的失效。   

图 5. 双线性混合模式牵引分离准则。   

图 6. 20 MPa 压力下沿罐轴不同层的轴向应力 。   

图 7. 压力容器的 a) 轴向 b) 径向位移与实验数据的比较。

通过对比数值分析结果与实验结果，研究团队发现，基于Puck失效准则的Abaqus WCM插件能够准确预测复合材料压力容器的渐进失效行为。同时，研究还发现，脱粘现象对复合材料压力容器的渐进失效过程具有重要影响，需要在设计和制造过程中予以充分考虑。

3.总结

该研究通过开发基于Puck失效准则的Abaqus WCM插件，对类型IV复合材料压力容器的渐进失效行为进行了深入研究。结果表明，该方法能够准确预测复合材料的渐进失效过程，为复合材料压力容器的设计和优化提供了有力支持。未来，随着数值分析技术的不断发展，相信该方法将在复合材料压力容器的设计和制造中发挥更加重要的作用。    

原始文献：

Mohsen Ahmadi Jebeli, Mohammad Heidari-Rarani,Development of Abaqus WCM plugin for progressive failure analysis of type IV composite pressure vessels based on Puck failure criterion,Engineering Failure Analysis,Volume 131,2022,105851,

https:///10.1016/j.engfailanal.2021.105851.

原文链接：

https://www./science/article/pii/S1350630721007123    

责任编辑：复小七