Progressive Damage Analysis and Optimization of Winding Angle and Geometry for a Composite Pressure Hull Wound Using Geodesic and Planar Patterns

Recently, it has been found that submarine pressure hulls constructed from fiber-reinforced multilayers have great potential to replace classical metallic ring-stiffened pressure hulls. The strength and stability of these structures are the most important functional requirements and should be considered in any design procedure. This study aimed to optimize the strength and buckling stability of elliptical composite deep-submerged pressure hulls using two different filament winding patterns, namely geodesic and planar. The numerical modeling of the pressure hull under hydrostatic was carried out using the Finite Element Method (FEM) in ABAQUS using Python script and a damage model written as a User MATerial (UMAT) Subroutine. Puck failure criterion was chosen for failure prediction. The results suggest that both buckling and the static material failure should be considered in the design of a composite pressure hull. Moreover, it was shown that the optimum pressure hull has a geodesic filament winding pattern with a/b (the ratio between two diameters) =1.2 and the winding angle of 45°. Based on the progressive failure criterion, for such an optimum design, failure initiates at an applied load of 28.6 MPa and the pressure hull withstands to 40.3 MPa.

Recentemente, è stato scoperto che gli scafi sottomarini a pressione costruiti con multistrati rinforzati con fibre hanno un grande potenziale per sostituire i classici scafi a pressione con anello metallico irrigidito. La forza e la stabilità di queste strutture sono i requisiti funzionali più importanti e dovrebbero essere considerati in qualsiasi procedura di progettazione. Questo studio mirava a ottimizzare la resistenza e la stabilità all'instabilità degli scafi a pressione ellittici compositi profondamente sommersi utilizzando due diversi modelli di avvolgimento del filamento, vale a dire geodetico e planare. La modellazione numerica dello scafo in pressione in condizioni idrostatiche è stata eseguita utilizzando il metodo degli elementi finiti (FEM) in ABAQUS utilizzando lo script Python e un modello di danno scritto come una subroutine User MATerial (UMAT). Il criterio di guasto del disco è stato scelto per la previsione del guasto. I risultati suggeriscono che sia l'instabilità che il cedimento statico del materiale dovrebbero essere considerati nella progettazione di uno scafo a pressione composito. Inoltre, è stato dimostrato che lo scafo a pressione ottimale ha uno schema di avvolgimento del filamento geodetico con a/b (il rapporto tra due diametri) =1,2 e l'angolo di avvolgimento di 45°. Sulla base del criterio di rottura progressiva, per un progetto così ottimale, la rottura inizia con un carico applicato di 28,6 MPa e lo scafo a pressione resiste a 40,3 MPa.