纤维缠绕复合材料气瓶设计分析平台开发研究.pdfVIP

IM工艺仿真

纤维缠绕复合材料气瓶设计分析平台开发

研究

11221*1

冯朋，成李博，徐云飞，邢丽静，刘霞，翁羽

（1.陕西空天动力研究院有限公司，陕西西安710076；2.西安航天动力研究所，陕西西安710100）

摘要：本文结合非线性结构分析软件MSC.Marc进行软件二次开发，基于气瓶实际工程设计分析研发流程，搭建了面向设计、

仿真、工艺等应用场景的快速设计分析平台，实现纤维缠绕复合材料气瓶模型快速参数化建模、部件材料属性定义、复合

材料快速铺层设计（包含铺层角度与厚度等）、整体结构化网格快速划分等标准化功能。该平台规范了纤维缠绕复合材料

气瓶的设计仿真流程，大幅度提高纤维缠绕复合材料气瓶的多方案建模与仿真分析准确度和研发效率。

关键词：缠绕复合材料气瓶；参数化建模；复合材料铺层设计；快速设计分析平台

1引言为了解决这一问题，针对纤维缠绕复合材料气瓶结

构的特点，本文结合非线性结构分析软件MSC.Marc进

纤维缠绕复合材料气瓶采用金属内衬及高强度纤维

外部缠绕的方式制造，与传统金属材料气瓶相比，具有行纤维缠绕复合材料气瓶设计分析平台二次开发，实现

质量轻、强度高和安全性好等优点，因而被广泛地应用纤维缠绕复合材料气瓶模型的快速参数化建模、部件材

于汽车工业、航空航天和石油化工等领域。复合材料气料属性定义、复合材料快速铺层设计（包含铺层角度与

瓶失效后会造成某些系统功能性能降低或丧失。因此，厚度等）和整体结构化网格快速划分等前处理自动化流

国内外学者采用有限元数值模拟方法对纤维缠绕复合材程，大幅度提高纤维缠绕复合材料气瓶的多方案建模与

料气瓶的失效过程与爆破压力进行了研究[1-4]。但在有限仿真分析准确度和研发效率，为空天动力系统的快速设

[5]

元分析过程中，模型的前处理工作通常非常繁琐耗时，计分析提供有力支持。

设计人员需要不断调整模型结构特征、材料属性、复合

材料铺层设计和模型网格尺寸等参数，再进行多次有限2系统介绍

元仿真分析，以满足设计要求。由于每次改进设计时都2.1开发方式介绍

需要重新建模，这会消耗研究人员大量的时间和精力，MSC.Marc有两种二次开发方式：用户子程序和自带

导致效率低下，拉长设计周期。的脚本语言Python编程。虽然MSC.Marc提供了大量的

*通信作者：刘霞

224·2023年增刊

工艺仿真IM

用户子程序接口，但是这些标准子程序存在不具备特定用Python语言编写脚本来自动化和优化有限元模型的构

用户需求的情况，所以本平台使用Python进行二次开发，建、求解和后处理。Py_mentat具有灵活性、易用性、集

它可以更灵活的定制和集成用户所需功能，使通用软件成性等特点，通过Py_mentat，用户可以利用Python中

向特定领域的专用软件扩展。除此之外，本软件还使用丰富的科学计算（如NumPy、SciPy等）、数据处理（如

Winform开发技术，将结构特征、材料属性、铺层设计和Pandas）和可视化工具（如Matplotlib、Plotly等）来进

网格尺寸等参数封装成用户输入接口，并开发