高壓玻璃鋼管成型工藝及失效預(yù)測研究.pdf

1、高壓玻璃鋼管具有比強度高、比剛度高、耐高壓、耐腐蝕、使用壽命長且易實現(xiàn)機械化、自動化等一系列優(yōu)點，在石油、化工和海洋等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，其優(yōu)異的力學(xué)性能和獨特的內(nèi)固化成型工藝一直受到極大的關(guān)注，如何實現(xiàn)高壓玻璃鋼管管體纏繞、固化和力學(xué)性能分析一體化是目前急待解決的問題。本文基于這一要求，完成了以下幾方面的研究工作:
　　首先，針對高壓玻璃鋼管體內(nèi)加熱式固化成型的特點，建立了高壓玻璃鋼管固化過程的二維有限元模型，采用了變性方

2、法來構(gòu)建導(dǎo)熱系數(shù)矩陣，開發(fā)了有限元代碼對高壓玻璃鋼管的固化過程進行了數(shù)值模擬，揭示了沿管體厚度方向的溫度和固化度變化規(guī)律以及纖維體積比對固化溫度產(chǎn)生的影響。數(shù)值模擬結(jié)果表明:該有限元模型能真實地反應(yīng)高壓玻璃鋼管體的固化過程，為科學(xué)地制定固化工藝提供理論依據(jù)。
　　其次，用微分幾何理論推導(dǎo)出高壓玻璃鋼管體纏繞成型的非測地線纏繞軌跡、包角方程及繞絲頭運動方程，用有限元分析軟件ANSYS中的APDL參數(shù)化設(shè)計語言編制的程序可進行纏繞過程

3、的動態(tài)仿真數(shù)值模擬，得到的數(shù)據(jù)可直接用于兩軸數(shù)控纏繞機進行纏繞。在計算過程中，比較了經(jīng)典的微分幾何方法和工程中常用的平面假設(shè)理論得到的芯模中心轉(zhuǎn)角的差異，結(jié)果表明:按微分幾何得到的線型與測地線接近，能更好地發(fā)揮纖維的力學(xué)性能，該方法可大大提高高壓玻璃鋼管體的結(jié)構(gòu)效率。
　　第三，進行了三個部分的試驗研究工作，(1)對4種不同纖維體積含量的單向板進行了縱向拉伸和壓縮強度、縱向拉伸模量、橫向拉伸和壓縮強度、橫向拉伸模量、泊松比、面內(nèi)剪

4、切強度和剪切模量等力學(xué)性能參數(shù)的測試，根據(jù)試驗結(jié)果求取了各力學(xué)參數(shù)的回歸方程;(2)對2種工作壓力分別為8.6MPa和15.5MPa的高壓玻璃鋼管體進行了失效壓力測試試驗;(3)對高壓玻璃鋼管體的纖維體積含量進行了整體測試和分層測試，為高壓玻璃鋼管失效強度的數(shù)值預(yù)測及分析提供了充分的試驗參考依據(jù)。
　　最后，針對高壓玻璃鋼管體材料的力學(xué)性能分布不均勻的特點，根據(jù)蔡-吳(Tsai-wu)失效準(zhǔn)則，采用常規(guī)失效分析方法和逐步失效分析方

5、法，借助于通用有限元軟件ANSYS的APDL參數(shù)化設(shè)計語言，編程模擬2種不同壓力等級的管體層合板在加載過程中的失效強度并將預(yù)測結(jié)果同試驗結(jié)果進行對比，結(jié)果表明:(1)高壓玻璃鋼管體的逐漸失效過程是由管體外層向內(nèi)層逐層進行的，內(nèi)層的富樹脂層相當(dāng)于彈性體，可產(chǎn)生比較大的變形量，能承受更大的內(nèi)壓力;(2)常規(guī)失效分析，由于只考慮了管體最內(nèi)層失效的壓力，忽視了其它各層失效后的剩余剛度，其預(yù)測值均低于實測失效壓力的平均值，8.6MPa管體和15.

6、5MPa管體預(yù)測誤差分別為為5.5％和6.5％，偏于保守。(3)逐漸失效分析則充分考慮了各層板失效后的剩余剛度，其預(yù)測值高于實測失效壓力的平均值，8.6MPa管體和15.5MPa管體預(yù)測誤差分別為2.9％和2.0％，更為合理。(4)高壓玻璃鋼管體層板的最終失效不是由纖維斷裂導(dǎo)致的，而是由于樹脂基體的失效引起的，這一點充分說明了高壓玻璃鋼管的內(nèi)固化工藝在管體內(nèi)表面形成的富樹脂層大大提高管體的承載能力。
　　本項目的研究，不僅為高壓玻