海洋玻纤增强热塑性柔性管的理论与数值分析

发布时间：2020-12-13 12:29

　　近年来海洋复合柔性管道逐渐在海洋工程中崭露头角。相对于钢管,复合柔性管凭借其弯曲性能好、重量轻、抗腐蚀能力强等一系列优异的性能在油气开采领域不断受到青睐。本文研究对象为一种三层粘结型玻璃纤维增强的热塑性复合柔性管,该类型管道包含外保护层(高密度聚乙烯HDPE)、中间复合材料增强层以及内衬层(高密度聚乙烯HDPE)。研究内容主要基于三维弹性理论和复合材料层合板理论,建立了玻纤增强热塑性复合柔性管的理论计算模型,推导了复合柔性管在轴对称载荷作用下的平衡微分方程,主要分析了管体在内压载荷作用下的应力与变形规律,并将理论计算结果与ABAQUS数值模拟结果进行比较分析,结论表明理论计算与数值仿真结果具有较好的一致性。最后基于该理论模型,研究了内衬层(外保护层)与增强层相对厚度对柔性管应力和变形的影响规律,结果表明管道的增强层为主要承载构件,在增强层纤维方向的应力远大于其他方向的应力,随着增强层从内向外扩展,纤维方向的应力逐渐减小,且内衬层(外保护层)厚度对管道整体的力学性能几乎没有影响。 

【文章来源】：中国海洋大学学报(自然科学版). 2020年06期 北大核心

【文章页数】：8 页

【部分图文】：

局部坐标系与整体坐标系之间的转换

玻璃纤维复合材料增强层

粘结型玻纤增强复合柔性管是一种新型热塑性复合增强管(RTP)[2],管体结构一般由三部分组成:内衬层、增强层与外保护层,如图1所示。层与层之间通过挤压粘结,没有相互滑动,且各层都具有相应的承载保护功能。内衬层是与管道运输介质直接接触的部分,海水、石油等都有较强的腐蚀性,因此内衬层必须具有较强的防腐蚀性能、抗老化性能,同时还要能够防渗透防磨损。该层多由热塑性树脂基体或热固性基体加热定型而成,基体材料主要有环氧、聚乙烯、聚酰胺等。管道中间增强层是整个管道受力的主要承载构件,由纤维层按特定的角度在内衬层上缠绕铺设而成,且在缠绕过程中必须施加一定的预紧力,以保证每层纤维层紧密粘结在一起,最终形成中间增强层。每层纤维层由纤维与基体材料构成,常用纤维材料有玻璃纤维、碳纤维等,基体多采用高密度聚乙烯(HDPE)。管道的外保护层是与海底外部环境直接接触的部分,不仅需要一定的防腐蚀性、抗磨损性,还需要一定的刚度以保证管道内部结构的稳定。外保护层的材料一般与内衬层材料相同。目前,国内外已有不少专家学者对复合管道的力学性能进行了理论研究分析。余彬彬[3]对纤维缠绕增强复合管的非线性屈曲理论进行了研究,基于非线性环理论,建立了管道在弯曲、弯曲和轴向拉力组合载荷作用下的屈曲理论模型,最后进行数值求解,并将计算结果与实验值对比,得到了较好的验证。张越等[4]采用弹性理论,考虑管道的内部工作压力及层间粘结压力,建立了复合管道的力学模型,推导出各层界面上法向应力的方程组。Chouchaoui等[5]将复合管道简化成各向异性板材组成的结构,同时对内压、外压、拉伸、扭转等载荷作用下的多层管道进行了应力求解。Xia[6]基于经典层合板理论,对不同载荷作用下的纤维缠绕管进行了理论求解分析,并对不同缠绕角度时的管道力学性能进行了对比,得出了力学性能较优的纤维缠绕角度。Xing等[7]对承受轴向拉力、内压、外压载荷共同作用下的纤维缠绕管进行了变形与应力研究分析,并将研究结果与有限元计算结果进行了对比,虽然结果验证具有较好的一致性,但是其研究忽略了切向应力、应变的影响。

【参考文献】：
期刊论文
[1]玻纤增强柔性管等效简化模型研究[J]. 孟祥剑,王树青,姚潞.  海洋工程. 2017(06)
[2]世界海洋油气资源分布[J]. 舟丹.  中外能源. 2017(11)
[3]复合层合管力学模型的研究[J]. 张越,樊新民,孔德仁.  南京理工大学学报. 1999(05)

硕士论文
[1]纤维缠绕增强复合管外压及组合荷载下的屈曲性能研究[D]. 王诺思.浙江大学 2013
[2]纤维缠绕增强复合管铺设中的非线性屈曲分析与研究[D]. 余彬彬.浙江大学 2013



本文编号：2914540