缠绕复合材料压力容器设计仿真一体化解决方案：WoundSIM

01： 引言

高压储气罐是先进复合材料，尤其是碳纤维缠绕复合材料用量最大、增长最快的市场之一。缠绕复合材料压力容器具有重量轻、压力大等优点,是充分发挥纤维强度的最优结构,因此广泛应用于航空、航天等领域。尽管它们可以自给式呼吸器方式为航空航天器提供氧气和气体存储，但是复合材料压力容器的主要以及最终市场仍然是大量用于运输压缩天然气（CNG）以及乘用车中的燃料存储，应用于动力总成依赖于CNG和氢气以替代汽油和柴油的公共汽车和卡车。WoundSIM是S-VERTICAL公司开发的一款用于缠绕复合材料压力容器（COPVs）设计、数值模拟和优化的新一代工具。

02：产品概述
在已有类型工具基础上，提供独立可视化图形界面，强化了参数铺层建模，引入结构优化与试验设计功能，满足复合材料结构设计仿真一体化的需求。

图. 缠绕复合材料压力容器设计仿真一体化

当定义复合材料层表时，使用图形界面即时查看复合材料层。调整缠绕角时，可自动计算与调整结构层厚度。可通过COPV结构计算和分配铺层材料性能。

图. WoundSIM用户界面

WoundSIM产品优势与特点：

- 增强了压力容器几何构型与层厚度的相关性

- 提供的全面铺层设计参数允许结构快速重构

- 开发的工具与独立的可视化用户界面

- 更快的时间响应（一般30层结构生成时间<1秒）

- Layup的结构渲染方便层间的选择和识别

- 可快速和全自动的生成COPV有限元模型和后处理

- 与 Abaqus完全兼容和集成

- 自动与Abaqus WCM模型转换

- 与 Isight参数优化流程兼容

- 开发的XML API数据接口，确保与其它软件软件或客户的内部工具的开放性

- 集成COPV参数优化能力，满足减重优化需求

- 集成设计仿真模型VS测试数据校准功能

图. 实现设计仿真模型与实测数据校核

03：有限元仿真模型

在WoundSIM界面上定义和验证完铺层后，用户可以生成几何形状和相应的有限元模型，以便进行所有需要的模拟仿真计算。

生成有限元模型

界面中确认后，生成有限元模型包括：

- 自动生成的几何与网格模型

- 转换的材料属性

- 与其他组件、容器内衬等自动定义装配、载荷和边界条件

- 支持生成二维、三维的壳体与实体模型

- 在Abaqus/ CAE 中可方便编辑

图. WoundSIM在Abaqus/CAE的界面窗口

支持的有限元分析类型：

生成的有限元模型在Abaqus中可支持以下分析类型：

- 稳态与瞬态的压力载荷

- 热传导分析

- 热固耦合分析

- 跌落与碰撞分析

- 循环载荷与疲劳评估

复合材料属性定义

WoundSIM中包含的微观力学模块允许从纤维和基体属性创建复合层状材料。失效应力和应变参数包含在有限元分析中，可以使用常见的破坏准则（例如Tsai – hill准则 Tsai-Wu准则等），对压力容器材料的破坏进行预测。

Abaqus后处理

WoundSIM的Abaqus界面提供了许多无缝后处理功能，如专门的路径绘图和轮廓绘图工具，允许快速结构评估。

WoundSIM包含一个编译的用户子程序库，可以访问所有复合材料特定的输出后处理数量，如缠绕角度，纤维和基体应力和应变，损伤参数。计算工作可以在没有Fortran编译器的情况下运行。

图. WoundSIM提供后处理中的用户子程序列表

04：高级功能

WoundSIM提供先进的工程和集成算法，为COPV设计人员和仿真工程师提供多种工具与辅助功能：

- 整体COPV结构减重可达 30%

- 包括DOE试验设计方法

- 有限元模型的批处理功能

- COPV几何结构的稳健性分析

- 可以提供与其它缠绕成型软件或厚度成型公式相关联

- 模型与实验结果的相关联

图. WoundSIM提供后处理中的用户子程序列表

DOE 试验设计

- DOE特性允许对多个几何参数进行分析

- 可分析输入参数对COPV几何的影响

- 可分析输入参数对结构响应的影响

- 可分析COPV结构可靠性

- 方便进一步优化出更好的设计参数

参数化模型与实验数据校核

- WoundSIM可将几何模型与参数化自动算法、制造工艺约束等相关联

- 智能图像比对功能

图. 图像比对

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