连续玻纤增强热塑性复合管内压下力学性能研究.pdf

复合材料科学与工程:/连续玻纤增强热塑性复合管内压下力学性能研究王 琪 谢煜斐 袁连忠 高进可 陆嘉君(江苏科技大学 机械工程学院 镇江 江苏贝尔机械制造有限公司 张家港 苏州理工学院 机电与动力工程学院 张家港 张家港富瑞阀门有限公司 张家港)摘要:连续玻璃纤维增强热塑性复合管(管)的力学性能对工程应用有着极其重要的影响因此采用 组合式模型法建立其在内压载荷下的有限元模型并基于三维正交各向异性弹性理论使用最大应力失效准则对复合管的内压爆破值进行理论分析计算最后对复合管展开短时爆破压力试验进行验证分析 结果表明:随着内压载荷的增大增强层所受到的力远大于内外层所受到的力增强层在内压作用下起着主要的作用实物 管的平均爆破压力值为 有限元模拟分析结果值为 与实验结果的相对差值为 理论计算值为 与实验值吻合良好对 管道的设计与应用具有重要的指导意义关键词:复合管 有限元模型 内压 短时爆破压力试验中图分类号:文献标识码:文章编号:()(.):().:收稿日期:基金项目:国家自然科学基金项目()张家港市预研项目()作者简介:王琪()男 博士 教授 主要从事数字化设计与智能制造方面的研究通讯作者:谢煜斐()女 硕士研究生 主要从事复合材料方面的研究 连续玻璃纤维增强热塑性复合管(简称 管)是集金属和塑料两种管道优点于一身的新型复合管道 通过模具挤出管道内衬层和外保护层其材料为热塑性高密度聚乙烯()增强层由双螺旋缠绕机上的连续玻璃纤维带按一定的角度、张紧力正反交错缠绕在内衬管上管道结构如图 年第 期连续玻纤增强热塑性复合管内压下力学性能研究所示 层与层之间采用加热熔融的形式粘接在一块形成一种非金属黏结型的玻纤增强热塑性复合管道 复合管道因其优异的柔韧性、耐腐蚀性、内部耐压性、制造成本低等显著优势自问世之日起就受到了业内研究学者们的高度关注图 连续玻璃纤维增强热塑性复合管 在安装和使用过程中会不可避免地经历极端的负荷主要包括内部压力因此内压载荷下短时力学性能分析是 研究的一个重点 国内外大多数学者对增强复合管道进行了分析 等对芳纶纤维编织层复合纤维增强热塑性塑料管进行了内压爆破试验并建立了考虑材料的非线性和层间摩擦作用的有限元模型详细研究了 管在内压和拉伸载荷作用下的力学行为结果表明编织角对 的力学性能影响显著层间摩擦系数影响不明显 等基于三维弹性理论对钢带增强复合管()进行力学性能试验并利用有限元模型对内压和弯曲共同载荷下的 进行了破坏模式的研究再根据室内试验结果推导出了一个简单而有效的爆破压力计算公式 等研究了 管在内压、弯曲、内压和弯曲组合、外压和拉力作用下的力学性能获得内压载荷下 管的爆破压力、外压载荷下的破裂压力以及弯曲力下的最小弯曲半径 同时采用有限元法分析了不同载荷作用下 的力学性能 林珊颖等对玻璃纤维复合软管进行了爆破压力试验、有限元模拟仿真和理论计算求解并考虑了不同缠绕角和径厚比对管道承受内压能力的影响王永峰基于回字形模型法求出增强层弹性常数通过计算得出纤维缠绕增强复合管道在受内压时的应力应变及其失效压力并与有限元模型的模拟结果进行比较验证 孟祥剑等研究发现在内压载荷作用下基于 组合式模型法的结果与试验结果最为接近该模型的结果值与试验数据值在环向应变和轴向应变上误差分别为 和 与其他模型法相比均为最小综上所述尽管目前对 管在内压作用下的力学性能有所研究但难以高效指导复合管的研发制造 因此本文采用有限元数值模拟、理论计算和爆破试验相结合的方法研究了 管的力学性能采用有限元 建立一个 管模型并使用最大应力失效准则对复合管的内压爆破值进行理论计算最后对 进行短时爆破压力试验研究极限内载下的失效行为为 管道今后的设计与应用提供重要的指导 管道有限元模型建立与分析 模型建立()几何及材料参数本文选用公称直径为 ()公称压力为 ()的连续玻璃纤维增强热塑性复合管作为研究对象该管材由江苏贝尔机械有限公司提供 通过材料试验得到了各层真实力学性能 复合管主要分为三层:内衬层和外保护层均采用高密度聚乙烯()的拉伸模量/拉伸屈服应力采用、测试方法增强层分为四层均采用连续玻璃纤维增强高密度聚乙烯单向预浸带基体为 增强层的等效模拟是复合管设计成功与否的关键 本文增强层采用均质化模型即将基体和纤维组成的玻纤带宏观地看成是一种正交各向异性的均质材料连续玻璃纤维预浸带以螺旋交错缠绕而成 复合带弹性常数的求法有回形法、串并联法和 组合式模型法 由于 模型模拟玻纤增强热塑性复合管在内压载荷下的工况最为合适且误差最小因此本文采用 组合式模型法 已知玻纤带中玻璃纤维和基体材料的弹性常数和体积比通过 组合式模型法求解出连续玻璃纤维复合带的弹性常数 玻纤预浸带的拉伸强度采用 试验方法密度试验方法为 其主要参数如表 至表 所示表 连续玻璃纤维增强热塑性复合管几何参数 参数内径/外径/内衬层厚度/外保护层厚度/增强层总厚度/玻纤缠绕角度/数值.年 月复合材料科学与工程表 材料参数 材料弹性模量/泊松比拉伸强度/.玻璃纤维.表 连续玻璃纤维增强高密度聚乙烯单向预浸带()弹性参数 ()/.()单元类型利用有限元软件 进行模型建立 管道有效长度为 (其外径的 倍)管道内衬层和外保护层均进行 实体单元划分网格中间增强层采用 连续壳单元 模型分为 个单元见图 通过 组合式模型法模拟增强层此方法将玻璃纤维增强复合材料看成是正交各向异性的材料且玻纤预浸带以由里到外叠加铺层方式如图 所示图 有限元模型的网格划分 图 管的铺层方式 ()边界条件与载荷对 管内壁施加均匀压力载荷需先在复合管两端圆心处建立参考点 和 命令经过左端面参考点的三个端部圆环截面耦合约束如图 所示并限制五个自由度仅允许轴向位移同时另一端六个自由度全部约束载荷从零开始逐步增大边界条件如图 所示图 耦合约束 图 有限元模型的边界条件 模型结果分析根据有限元模型模拟 管受内压作用的爆破压力此时管道横截面依旧是圆形不变且各层受力、变形均匀 建立内压作用下各结构层轴向应力分布图见图 在应力云图中内衬层承载力降低进入塑性状态后由于增强层的弹性模量远大于内外层 的弹性模量此时增强层为主要的承载部分 有限元分析还验证了内部增强层的压力比外部增强层的压力大即内部增强层将首先失效 玻璃纤维增强层一旦破坏内外层也会损坏从而导致管道泄漏 因此玻璃纤维增强层在内压载荷中起着主要的作用 当第一层增强层的轴向应力高于玻纤预浸带的拉伸强度 时管道发生破坏此时 管的爆破压力为 年第 期连续玻纤增强热塑性复合管内压下力学性能研究()内衬层()()外保护层()()最内层增强层()()最外层增强层()图 内压载荷下各结构层轴向应力分布 内压载荷下的理论算法 基本假设为简化分析假设 管的结构和材料属性如下:()连续玻纤预浸带与高密度聚乙烯均处于线弹性状态无初始应力()内外层材料都是均质、各向同性、连续的且制造过程中无初始缺陷增强层各层都是均匀、连续、各向异性的()管道横截面始终与其中心轴保持垂直关系符合前后材料性能保持不变()玻璃纤维和基体 是紧密黏结的受力界面处无相对滑移各层之间也是粘接紧密 应力应变分析 管的圆柱坐标系和局部坐标系如图、图 所示其中 表示径向方向 为环向方向 为轴向方向图 圆柱坐标系 图 局部坐标系 当受到内部压力时 方向为零又因为管是轴对称结构压力和应变与 方向位移无关径向变形与 无关位移场可以表示为:()()()()式中:依次为径向位移、环向位移、轴向位移 年 月复合材料科学与工程 圆柱坐标系下第 层与各向异性材料的应力应变关系为:()()()()式中:为刚度矩阵 为柔度矩阵 和 互为逆矩阵可以通过 求 对于管道的每一层假定没有外力作用的柱坐标平衡方程为:()()()()()()()()()()()()()()圆柱坐标系下第 层应变位移关系为:()()()()()()()()()()()()()()()()()将式()代入式()简化应变位移关系为:()()()()()()()()()()()将式()、式()、式()代入式()式()中的几项均变为 因此平衡方程可简化为:()()()()()()位移场可假设如下:()()()()()()()()()将式()代入式()由于内外层轴向应变 始终是一个常数增强层应变可简化为:()()()()()()()()()()()()()局部坐标系和圆柱坐标系应力关系为:()()()()式中:式中:为缠绕角度 边界条件管道处于内压下每一层都受到紧密挤压可以认为位移和应力沿界面分布是连续的从而得到边界条件方程如下应力边界条件为:()()()()()()()()()()()()()位移边界条件决定了径向位移、环向位移径向应力和剪切分布是连续的 因此位移边界条件为:()()()()()()()()()对于一定长度的封闭端管在无体积力的状况下轴力平衡方程可以表示为:()()()转矩平衡方程为:()()()年第 期连续玻纤增强热塑性复合管内压下力学性能研究对于 层复合结构管道需要确定 个未知常数可给出 个方程通过联立方程可求出已知常数 由于玻璃纤维弹性模量远大于 弹性模量即管道爆破压力可以看作玻璃纤维达到最大拉应力产生的破坏由玻纤应力()决定 短时爆破压力试验 试验方法本试验采用管材耐压爆破试验机型号为 管材耐压夹具安装于试样 管的末端 在试验开始之前管材耐压夹具应密封试样管并与加压装置相连并向试样管内注水将管内空气通过排气孔排尽 试样 管在耐压夹具之间的有效长度 应符合/的要求此处根据 选择管道试样有效长度为 安装过程如图 所示 通过水空气试验将试验温度下的液体(水)充满试样向管材内快速、连续地施加内部压力升压速率为 /直至试样破坏 压力在达到峰值后下降最大压力可视为爆破压力 设计符合/与 的要求图 密封安装过程 试验结果与分析三次时间压力关系测试如图 所示 从图 中可以看出管道经历了三个阶段:压力稳定阶段压力上升阶段和管道破损阶段 管道爆破后压力突然降至接近于 三次测试内部压力的增长趋势基本上是一致的当内部压力达到爆破压力时曲线急剧下降表明此时管道出现泄漏管道发生爆破在三次试验中 管的爆破压力分别是 、和 得出平均爆破压力为 试验一由于端部接头处内层断裂造成压力值低于其他两组试验二和三的破裂压力差值为 证明了本次试验的准确性和可重复性 试样公称压力为 满足短时爆破压力在常温下 倍公称压力等级()的要求 从三组典型的压力试验中可以看出在内部压力下 管的失效模式是由于玻璃纤维增强层的破裂造成的液体泄漏如图 所示在破洞周围的玻纤带部分破裂 由此可知玻纤带在 承载能力发挥着重要的作用图 爆破压力试验测试结果 图 短时爆破失效实物图 结果对比分析有限元数值模拟分析、理论计算和爆破压力试验结果对比如表 所示 结果表明有限元模拟分析结果与试验结果的差值为 这是因为有限元没有考虑到试件的初始缺陷这在工程应用中是可以接受的 此外理论结果与试验结果之间误差的主要原因是理论计算中假设材料为线弹性而实际上是弹塑性的 这三组结果的良好一致性充分表明了理论计算和有限元模拟的可靠性 年 月复合材料科学与工程表 模拟分析、理论计算与爆破压力试验值对比 有限元模拟值/计算值/试验值/试验平均值/.结 论()有限元模拟分析结果与试验结果的相对差值为 所建立的有限元模型可为 管的初始设计和强度评价提供有效的指导()有限元模拟和理论计算验证了玻璃纤维增强层在内压载荷中起着主要的作用且内部增强层的压力比外部增强层的压力大即内部增强层将首先失效()在内压爆破试验中 的 管最终爆破压力值为 失效模式主要包括纤维增强层的断裂和端部接头内层的泄漏参考文献 .():.王大鹏 刘美苓 姜焕英 等.油气产业用增强热塑性复合管研究进展.中国塑料 ():.():.王琪 吴少斌 高进可 等.基于 的多层玻纤缠绕机控制系统的设计.机械制造与自动化 ():.():.王阳阳 娄敏 吴武刚 等.外压作用下玻纤增强柔性管本构模型.哈尔滨工程大学学报 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