概述：

本案例为复合材料缠绕压力容器（COPV）的可靠性研究。模型采用含增强纤维的层状复合材料结构；首先对 COPV 开展有限元仿真，分析其力学行为特征；再基于仿真结果进行失效分析，确定最薄弱层。

目标：

1、熟悉复合材料缠绕压力容器（COPV）的结构形式。

2、掌握复合材料缠绕压力容器的应力分析流程。

步骤：

1、创建复合材料层合结构

a.  在 Ansys Workbench 中创建 ACP (Pre) 组件。

b.  从工程材料库中创建复合材料：选用 230GPa 级单向碳纤维 / 环氧材料；同时定义铝材料，用于压力容器内衬。为铝材料添加铺层类型与各向同性应变极限，使其结果可在 ACP (Post) 中查看。

c.  导入压力容器几何模型，其尺寸参数详见图 1。

d.  在 ANSYS Mechanical 中完成几何网格划分，为模型设置虚拟厚度；实际厚度将在后续铺层定义环节中指定。

图 1 压力容器几何模型示意图

e. 在 Ansys ACP (Pre) 中定义复合材料层合结构：创建厚度为 1mm 的碳纤维 / 环氧织物，采用（-45°/45°/-45°/45°）对称铺层；同时在 ACP (Pre) 中定义铝制内衬层，并将其布置于复合材料层合结构的内侧。

2. 开展应力分析

a. 在 Workbench 中创建静力学分析系统。

b. 将 ACP (Pre) 的设置数据传递至静力学分析模块的模型中。

c. 定义分析设置并施加边界条件：为压力容器施加 1MPa 的内压，压力载荷在 1 秒内完成加载。

d. 提交仿真计算，总变形云图结果如图 2 所示。

图 2 总变形云图

e. 采用复合材料失效工具校核反储备系数（IRF），选取最大应变准则、最大应力准则和 von Mises 应变准则作为失效判据；反储备系数（IRF）云图结果如图 3 所示。

图 3 整体结构反储备系数（IRF）云图

3. 开展失效分析（后处理的替代方案）

a. 创建 ACP (Post)（复合材料后处理）组件。

b. 将静力学分析的求解结果传递至 ACP (Post) 模块的设置中。

c. 打开 ACP (Post) 模块，定义失效判据（最大应力、最大应变及 von Mises 应变准则）并调用失效指标，校核各铺层的反储备系数（IRF）。反储备系数云图（图 4）同时可识别出最危险的失效判据；由于所有区域的反储备系数均小于 1，说明该结构设计满足安全要求。

图 4 铝内衬层反储备系数（IRF）云图

总结：

本次仿真完整演示了铝内衬-复合材料压力容器的建模流程，以及应力分析与失效分析的全流程方法。

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