Value Engineering
·83·
预应力钢丝缠绕厚壁筒预紧过程数值模拟
Simulation Procedure of a Wire Winding Thick Wall Container Main Cylinder
戴剑DAI Jian ；李棠LI Tang ；陶俊林TAO Jun-lin
（西南科技大学土木工程与建筑学院，绵阳621010）
Southwest University of Science and Technology ，Mianyang 621010，China ）（The Department of Civil Engineering and Arhitecture ，
摘要：预应力钢丝缠绕厚壁筒是化工航空航天等领域重要的加工设备。文章利用ANSYS 载荷步建立了预应力钢丝缠绕厚壁筒
缠绕过程的仿真计算模型，考虑钢丝层间及钢丝间摩擦对缠绕过程的不利作用。利用该方法对一尺寸为2310mm*3000mm的缠绕厚
壁筒进行仿真分析，结果表明：筒体受到端部法兰的影响，其应力和位移是轴向位置的函数，筒体预紧状态最大的Mises 应力为316. 914MPa,Tresca 应力约为329.98MPa 。轴向应力在离端口595.29mm 处达到最大值，约为121.53MPa; 计算模型较好模拟缠绕过程，有限元计算结果和理论计算比较吻合。
Abstract:Prestressed steel wire winding thick wall cylinder is chemical aerospace etc important processing equipment. This paper, by using ANSYS load step combined with load condition (loadcase) establish a prestressed steel wire winding thick wall cylinder and shear winding process simulation model, considering wire layer and steel wire friction winding process to the adverse effect, a diameter of 2310mm*3000mm thick wall cylinder was analyzed by the method. The results show that:the cylinder flange influencer the radial displacement and stresses, so they are functions of the axial position.The maximum axial stress,which is 121.53MPa, is located about 595.29mm from the cylinder flange end.the maximum mises and Tresca stresses are about 316.914MPa and 329.98MPa.The FEA results agree well with the theoretical results.
关键词：工程模拟；钢丝缠绕；预紧；有限元Key words:engineering simulation ；steel sire-wound ；prestress ；finite element analysis(FEA)中图分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）01-0083-03
0引言
预应力钢丝缠绕厚壁筒（图1）是预应力高压超高压容器的核心部件和关键结构[1]，预应力钢丝缠绕技术是预应力压力容器最常用的技术之一。早在20世纪40年代Newite 和Comslock [2]分就分别给出了筒体的等、变张力缠绕的理论分析。从目前已发表的文章看，国内外一些学者对预应力高压容器的强度、疲劳寿命等问题越来越重视，进行了很多理论研究，而影响容器这些方面的主要因素之一就是预应力钢丝缠绕应力和应变的控制程度，但报道该方面的文献不多。由于缠绕钢丝层的结构和受力状态相当复杂，公式繁琐且误差较大，有限元模拟在该方面变现出
因此，本文应用叠加原理通过ANSYS 工况组它的优越性。
合给出了预应力钢丝缠绕厚壁筒等剪缠绕过程仿真计算模型，对钢丝层随缠绕过程其应力和应变的变化规律进行了分析，为预应力缠绕厚壁筒在理论分析和工程应用提供依据和模拟手段。
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作者简介：戴剑（1987-），男，浙江建德人，西南科技大学土木工
程与建筑学院，硕士研究生，
研究方向为结构工程力
学分析。
1预应力钢丝缠绕厚壁筒计算模型的建立
1.1简化的有限元计算模型的建立及材料模型的选取在绕丝容器的设计理论中，一共有等张力、等剪力和等切力[5]三种设计原则，其中采用等张力缠绕设计的钢丝层与层之间初张力相同，而采用等剪力和等切力缠绕设计的则各不相同，本文所分析的容器按照等剪力原则设计，
为了钢丝层结构为截面积为1mm ×6mm 的扁钢丝110层。
便于建模分析，本文将整个钢丝层分为11个钢丝台阶。
由于钢丝台阶的厚度只有10mm ，划分实体模型只能分得较小，而其高压容器中径2310mm ，故产生数量巨大的单元，使计算非常的繁复，难以实现，或者计算结果同真实结果存在很大的差异。故在建模时将钢丝层简化为薄壳形式。
预应力绕丝厚壁圆筒是轴对称模型，采用1/8模型进
芯筒采用行简化，不影响分析结果，可以大大减少计算量。
实体单元划分，建立实体单元（solid95）和板壳单元
）组合的预应力钢丝缠绕厚壁筒组合模型。最终建（shell63
立的有限元模型如图2所示。材料参数的定义：缸体的弹性模量取为205Gpa,Poisson 比为0.3；钢丝层的弹性模量为210Gpa ，Poisson 比为0.3。单元总数35835个，节点数40477个，其中壳单元数为29549个，其余为实体单元。
1.2接触摩擦界面的处理钢丝层间及体壳接触界面采用面—面接触分析，外圈内表面（目标面用Target170来模拟）和内模外表面（接触面用Contact174来模拟）构成接触对，摩擦系数为0.3在缠绕过程中，为了缓解收敛性困难，在第一个载荷步中设置KEYOTI （9）=2来使过度渗透渐进0。
1.3加载求解及后处理加载求解分为三部分，即施加约束条件、施加载荷以及求解计算。分析高压容器厚壁
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预应力钢丝缠绕厚壁筒预紧过程数值模拟
Simulation Procedure of a Wire Winding Thick Wall Container Main Cylinder
戴剑DAI Jian ；李棠LI Tang ；陶俊林TAO Jun-lin
（西南科技大学土木工程与建筑学院，绵阳621010）
Southwest University of Science and Technology ，Mianyang 621010，China ）（The Department of Civil Engineering and Arhitecture ，
摘要：预应力钢丝缠绕厚壁筒是化工航空航天等领域重要的加工设备。文章利用ANSYS 载荷步建立了预应力钢丝缠绕厚壁筒
缠绕过程的仿真计算模型，考虑钢丝层间及钢丝间摩擦对缠绕过程的不利作用。利用该方法对一尺寸为2310mm*3000mm的缠绕厚
壁筒进行仿真分析，结果表明：筒体受到端部法兰的影响，其应力和位移是轴向位置的函数，筒体预紧状态最大的Mises 应力为316. 914MPa,Tresca 应力约为329.98MPa 。轴向应力在离端口595.29mm 处达到最大值，约为121.53MPa; 计算模型较好模拟缠绕过程，有限元计算结果和理论计算比较吻合。
Abstract:Prestressed steel wire winding thick wall cylinder is chemical aerospace etc important processing equipment. This paper, by using ANSYS load step combined with load condition (loadcase) establish a prestressed steel wire winding thick wall cylinder and shear winding process simulation model, considering wire layer and steel wire friction winding process to the adverse effect, a diameter of 2310mm*3000mm thick wall cylinder was analyzed by the method. The results show that:the cylinder flange influencer the radial displacement and stresses, so they are functions of the axial position.The maximum axial stress,which is 121.53MPa, is located about 595.29mm from the cylinder flange end.the maximum mises and Tresca stresses are about 316.914MPa and 329.98MPa.The FEA results agree well with the theoretical results.
关键词：工程模拟；钢丝缠绕；预紧；有限元Key words:engineering simulation ；steel sire-wound ；prestress ；finite element analysis(FEA)中图分类号：TU3文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）01-0083-03
0引言
预应力钢丝缠绕厚壁筒（图1）是预应力高压超高压容器的核心部件和关键结构[1]，预应力钢丝缠绕技术是预应力压力容器最常用的技术之一。早在20世纪40年代Newite 和Comslock [2]分就分别给出了筒体的等、变张力缠绕的理论分析。从目前已发表的文章看，国内外一些学者对预应力高压容器的强度、疲劳寿命等问题越来越重视，进行了很多理论研究，而影响容器这些方面的主要因素之一就是预应力钢丝缠绕应力和应变的控制程度，但报道该方面的文献不多。由于缠绕钢丝层的结构和受力状态相当复杂，公式繁琐且误差较大，有限元模拟在该方面变现出
因此，本文应用叠加原理通过ANSYS 工况组它的优越性。
合给出了预应力钢丝缠绕厚壁筒等剪缠绕过程仿真计算模型，对钢丝层随缠绕过程其应力和应变的变化规律进行了分析，为预应力缠绕厚壁筒在理论分析和工程应用提供依据和模拟手段。
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作者简介：戴剑（1987-），男，浙江建德人，西南科技大学土木工
程与建筑学院，硕士研究生，
研究方向为结构工程力
学分析。
1预应力钢丝缠绕厚壁筒计算模型的建立
1.1简化的有限元计算模型的建立及材料模型的选取在绕丝容器的设计理论中，一共有等张力、等剪力和等切力[5]三种设计原则，其中采用等张力缠绕设计的钢丝层与层之间初张力相同，而采用等剪力和等切力缠绕设计的则各不相同，本文所分析的容器按照等剪力原则设计，
为了钢丝层结构为截面积为1mm ×6mm 的扁钢丝110层。
便于建模分析，本文将整个钢丝层分为11个钢丝台阶。
由于钢丝台阶的厚度只有10mm ，划分实体模型只能分得较小，而其高压容器中径2310mm ，故产生数量巨大的单元，使计算非常的繁复，难以实现，或者计算结果同真实结果存在很大的差异。故在建模时将钢丝层简化为薄壳形式。
预应力绕丝厚壁圆筒是轴对称模型，采用1/8模型进
芯筒采用行简化，不影响分析结果，可以大大减少计算量。
实体单元划分，建立实体单元（solid95）和板壳单元
）组合的预应力钢丝缠绕厚壁筒组合模型。最终建（shell63
立的有限元模型如图2所示。材料参数的定义：缸体的弹性模量取为205Gpa,Poisson 比为0.3；钢丝层的弹性模量为210Gpa ，Poisson 比为0.3。单元总数35835个，节点数40477个，其中壳单元数为29549个，其余为实体单元。
1.2接触摩擦界面的处理钢丝层间及体壳接触界面采用面—面接触分析，外圈内表面（目标面用Target170来模拟）和内模外表面（接触面用Contact174来模拟）构成接触对，摩擦系数为0.3在缠绕过程中，为了缓解收敛性困难，在第一个载荷步中设置KEYOTI （9）=2来使过度渗透渐进0。
1.3加载求解及后处理加载求解分为三部分，即施加约束条件、施加载荷以及求解计算。分析高压容器厚壁