熱塑復(fù)合管單角度與多角度鋪層截面設(shè)計(jì)研究*

王宏偉 時(shí) 晨 彭傳遠(yuǎn) 包興先

(1.中國石油大學(xué)(華東)石油工程學(xué)院2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)海洋工程學(xué)院)

王宏偉,時(shí)晨,彭傳遠(yuǎn),等.熱塑復(fù)合管單角度與多角度鋪層截面設(shè)計(jì)研究.石油機(jī)械,2022,50(11):50-57.

0 引言

近年來,隨著陸地和近海油氣資源逐漸枯竭,世界各國紛紛將開發(fā)方向轉(zhuǎn)向了深海油氣田。而熱塑性復(fù)合材料管(Thermoplastic Composite Pipe,TCP)相較于鋼管具有易彎曲、耐腐蝕、成本低、便于施工和回收利用等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)成為深海裝備領(lǐng)域的重點(diǎn)研究對(duì)象[1-2]。熱塑性復(fù)合材料管一般包括三層結(jié)構(gòu),由內(nèi)而外分別為內(nèi)襯層、增強(qiáng)層和外保護(hù)層,各層之間互相粘接。內(nèi)襯層一般由具有耐腐蝕、耐磨功能的聚烯烴構(gòu)成;增強(qiáng)層可用高強(qiáng)度纖維帶;外保護(hù)層起到保護(hù)作用,一般由具有抗刮擦、阻燃等功能的聚烯烴構(gòu)成[3]。復(fù)合管的內(nèi)徑、壁厚和各結(jié)構(gòu)層的材料均可根據(jù)應(yīng)用環(huán)境的需求進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)計(jì)。

近幾十年,國內(nèi)外研究人員對(duì)熱塑性復(fù)合材料管的截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和力學(xué)性能進(jìn)行了大量研究。M.W.K.ROSENOW等[4]通過理論分析和試驗(yàn),研究了纏繞角度對(duì)玻纖增強(qiáng)管性能的影響,研究結(jié)果表明:在內(nèi)壓作用下,考慮端部效應(yīng)時(shí)的最佳纏繞角度為54.75°,不考慮端部效應(yīng)時(shí)的最佳纏繞角度為75°。P.D.SODEN等[5-7]對(duì)玻纖增強(qiáng)環(huán)氧樹脂管進(jìn)行了力學(xué)行為試驗(yàn),得到了纏繞角為±45°、±55°和±75°時(shí),管道在內(nèi)壓與軸向拉伸或壓縮聯(lián)合荷載下的斷裂強(qiáng)度,并指出纏繞角度越大環(huán)向抗壓強(qiáng)度越大,纏繞角度越小軸向抗拉強(qiáng)度越大。L.C.M.MENICONI等[8]考慮了不同環(huán)境載荷,利用有限元軟件分析了張力腿平臺(tái)上的復(fù)合柔性立管的力學(xué)行為,并對(duì)立管進(jìn)行了截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。WANG C.G.等[9]基于局部荷載與整體荷載,對(duì)幾種不同結(jié)構(gòu)和材料組合的復(fù)合材料立管進(jìn)行了截面設(shè)計(jì)。劉昊[10]對(duì)深水復(fù)合材料立管的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)和可靠性分析,并對(duì)管道的宏觀力學(xué)特性、強(qiáng)度破壞和局部屈曲的失效模式進(jìn)行了研究。張?jiān)抨系萚11]通過有限元軟件,對(duì)受到拉伸和內(nèi)外壓荷載聯(lián)合作用的復(fù)合材料柔性管進(jìn)行了力學(xué)分析,并確定了管道的最佳纏繞角度與纏繞層數(shù)。曾季芳[12]基于有限元軟件ANSYS的參數(shù)化設(shè)計(jì)語言,對(duì)典型5層粘接柔性管的主要承載層的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了參數(shù)化處理和計(jì)算。夏和萍等[13]利用有限元仿真軟件ABAQUS建立了5組不同鋪層角度組合的TCP管道模型,研究了管道在較大的拉伸和內(nèi)壓聯(lián)合荷載下0°和90°鋪層角度對(duì)管道承載力的影響。

總的來說,國內(nèi)外學(xué)者所研究的熱塑性復(fù)合材料管的增強(qiáng)層大都以單一角度進(jìn)行鋪層。無論是陸地上還是海洋中的管道,根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合的不同,管道將會(huì)受到多種載荷,這都對(duì)熱塑性復(fù)合材料管的截面設(shè)計(jì)提出了相應(yīng)的要求。例如鋪設(shè)于深水中的柔性立管,除了要承載一定的輸送壓力,由于自身重力的作用,管道軸向還會(huì)受到很大的拉伸荷載。增強(qiáng)層以單一角度鋪層的管道在承受多種荷載時(shí),并不能充分發(fā)揮復(fù)合材料可設(shè)計(jì)性好的優(yōu)勢(shì)。如果采用多個(gè)角度進(jìn)行鋪層,可以根據(jù)所受荷載種類的不同,將管道的增強(qiáng)層設(shè)計(jì)為相應(yīng)的承載層,每一承載層的鋪層角度和厚度都可根據(jù)其主要承擔(dān)的荷載進(jìn)行專門設(shè)計(jì)。這種有針對(duì)性的截面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將會(huì)使增強(qiáng)纖維的力學(xué)性能得到充分的發(fā)揮。

本研究利用有限元軟件ABAQUS,首先對(duì)承受內(nèi)壓和拉伸荷載的TCP管進(jìn)行了單角度鋪層的截面設(shè)計(jì)。隨后,針對(duì)同樣的荷載進(jìn)行了多角度鋪層的TCP管的截面設(shè)計(jì)。相較于單角度鋪層設(shè)計(jì),多角度鋪層的截面設(shè)計(jì)可以充分發(fā)揮各層增強(qiáng)纖維的力學(xué)性能,從而達(dá)到減小管道壁厚、節(jié)省材料、降低工程成本的目的。

1 單角度鋪層的TCP管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

TCP管道的增強(qiáng)層作為主要承載層,增強(qiáng)層厚度以及鋪層角度是決定管道力學(xué)性能的主要因素,也是TCP管道截面設(shè)計(jì)的核心。根據(jù)內(nèi)壓和拉伸荷載對(duì)單角度鋪層的TCP管道截面進(jìn)行設(shè)計(jì),主要設(shè)計(jì)點(diǎn)是管道增強(qiáng)層的鋪層角度和厚度。本節(jié)對(duì)增強(qiáng)層層數(shù)與管道承載力的關(guān)系進(jìn)行了研究分析,研究結(jié)果可為TCP管道增強(qiáng)層的厚度設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

1.1 單角度鋪層的設(shè)計(jì)方法

以內(nèi)徑65.0 mm(2.5 in)的TCP管道為例介紹截面設(shè)計(jì)方法。

TCP管道的內(nèi)襯層和外保護(hù)層并不是主要承載層,內(nèi)襯層的作用是防腐蝕和防泄漏,外保護(hù)層的作用是保護(hù)纖維增強(qiáng)層不受到外部損傷[14]。選取內(nèi)襯層厚度為5.0 mm,外保護(hù)層的厚度為2.9 mm。業(yè)內(nèi)在對(duì)TCP管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),增強(qiáng)層一般選用以±55°纏繞纖維增強(qiáng)帶來進(jìn)行鋪層[15],因此筆者設(shè)計(jì)中玻纖增強(qiáng)聚乙烯單向帶的纏繞角度也選為55°。

改變管道的纖維增強(qiáng)層層數(shù),共建立6個(gè)模型。分別對(duì)管道線性加載內(nèi)壓(同時(shí)考慮由內(nèi)壓所引起的端部拉力)和軸向拉伸荷載,并求得每個(gè)管道所對(duì)應(yīng)的失效內(nèi)壓、失效拉力,根據(jù)模型算例結(jié)果來分析增強(qiáng)層層數(shù)對(duì)管道承載力的影響。

以含有30層增強(qiáng)層的TCP管道為例說明有限元模型的建模和加載過程。管道的內(nèi)徑為65 mm,內(nèi)襯層總厚度為5 mm,外保護(hù)層的厚度為2.9 mm,單條纖維增強(qiáng)帶的厚度為0.25 mm。根據(jù)圣維南原理,為消除邊界效應(yīng),模型長度至少為5倍的管道外徑[16],本文中管道模型長度為800 mm。內(nèi)襯層和外保護(hù)層均采用HDPE(高密度聚乙烯)材料,增強(qiáng)層由玻纖增強(qiáng)聚乙烯單向帶纏繞鋪設(shè)而成。HDPE的彈性模量為1 342 MPa,泊松比為0.38。表1給出了玻纖增強(qiáng)聚乙烯單向帶的材料參數(shù)。

表1 玻纖增強(qiáng)聚乙烯單向帶性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of glass fiber reinforced polyethylene unidirectional tape

圖1為TCP管中纖維增強(qiáng)材料的局部坐標(biāo)系在管道表面上的示意圖,其中定義1(x)方向?yàn)槔w維鋪設(shè)方向,2(y)為垂直于纖維方向,3(z)為纖維單向帶的法向。

圖1纖維增強(qiáng)材料的局部坐標(biāo)系Fig.1 Local coordinates of fiber reinforced material

圖2給出了增強(qiáng)層為30層的TCP管模型的截面圖。采用孤立網(wǎng)格建模方法進(jìn)行建模,內(nèi)襯層沿厚度方向劃分為3層網(wǎng)格,外保護(hù)層沿厚度方向劃分為2層網(wǎng)格。使用復(fù)合層鋪層工具將材料屬性以及鋪層角度賦給增強(qiáng)層,使用截面指派工具將材料屬性賦給內(nèi)襯層和外保護(hù)層。網(wǎng)格類型選用具有縮減積分和沙漏控制的八節(jié)點(diǎn)線性六面體單元(C3D8R)。內(nèi)襯層用41 220個(gè)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,外保護(hù)層用27 480個(gè)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,每層增強(qiáng)層用13 740個(gè)單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分。

圖2 TCP管道有限元模型的截面圖(1內(nèi)襯層,2增強(qiáng)層,3外保護(hù)層)Fig.2 Finite element model profile of TCP(1.lining layer,2.reinforcing layer,3.outer protective layer)

圖3為TCP管道的有限元模型。在管道兩端分別建立2個(gè)參考點(diǎn)RP1和RP2,管道兩端面分別與對(duì)應(yīng)的參考點(diǎn)運(yùn)動(dòng)耦合。管道的左端完全固定,右端僅允許軸向移動(dòng)。管道的加載荷載有2種,即內(nèi)壓加載和軸向拉力加載。內(nèi)壓加載時(shí)考慮了由內(nèi)壓所引起的端部拉力,在參考點(diǎn)RP2施加由于內(nèi)壓載荷產(chǎn)生的端部力,載荷大小為:

圖3 TCP管道的有限元模型Fig.3 Finite element model of TCP

式中:F為載荷,N;r為管道的內(nèi)半徑,mm;p為作用于管道內(nèi)壁的壓力,Pa。

采用三維Tsai-wu材料失效準(zhǔn)則,通過ABAQUS的UVARM子程序?qū)δＰ瓦M(jìn)行失效判定,以求得管道的失效內(nèi)壓和失效拉力。根據(jù)圣維南原理,為消除管道兩端應(yīng)力集中對(duì)真實(shí)應(yīng)力應(yīng)變分布產(chǎn)生的影響[15],判斷失效的管段應(yīng)盡量遠(yuǎn)離管道端部。這里選取管道中部長為50 mm的管段作為失效判別區(qū)域。

經(jīng)過模擬計(jì)算,得出了增強(qiáng)纖維帶以55°纏繞時(shí),不同增強(qiáng)層層數(shù)所對(duì)應(yīng)的管道失效內(nèi)壓和失效拉力,結(jié)果如表2所示。

表2 增強(qiáng)層以55°纏繞時(shí),增強(qiáng)層層數(shù)、失效內(nèi)壓和失效拉力的數(shù)值Table 2 Number of reinforcement layers,failure internal pressure and failure tension when the reinforcement layer is wound at 55°

以增強(qiáng)層層數(shù)為橫坐標(biāo),管道的失效內(nèi)壓和失效拉力為縱坐標(biāo),分別繪制了散點(diǎn)圖,再利用回歸分析法對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。擬合曲線和擬合公式如圖4和圖5所示。圖中的黑色叉型點(diǎn)為增強(qiáng)層層數(shù)與對(duì)應(yīng)的失效內(nèi)壓、失效拉力所組成的數(shù)據(jù)點(diǎn),藍(lán)色曲線是擬合曲線,R2為擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)。擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)R2越接近1說明擬合效果越好。圖4和圖5所顯示的2條擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)均大于0.9,說明擬合效果達(dá)到要求。

圖5 TCP管道增強(qiáng)層層數(shù)與失效拉力關(guān)系的擬合曲線Fig.5 Fitting curve of relationship between number ofreinforcement layers and failure tension of TCP

從圖4可以看出,增強(qiáng)層層數(shù)較少時(shí),增加層數(shù)會(huì)顯著提高內(nèi)壓承載力,但當(dāng)層數(shù)超過50層之后,增加層數(shù)所提高的內(nèi)壓承載力不再顯著。這是因?yàn)樵趦?nèi)壓荷載下,增強(qiáng)層的最內(nèi)層總是最先發(fā)生破壞,當(dāng)增強(qiáng)層比較厚時(shí),再增加層數(shù)將不會(huì)明顯分擔(dān)最內(nèi)層所承受的壓力。此時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮改變管道結(jié)構(gòu)或增強(qiáng)層的纏繞角度、材料等因素來進(jìn)一步提高管道的內(nèi)壓承載力。

圖4 TCP管道增強(qiáng)層層數(shù)與失效內(nèi)壓關(guān)系的擬合曲線Fig.4 Fitting curve of relationship between number of reinforcement layers and failure internal pressure of TCP

以管道的增強(qiáng)層層數(shù)為橫坐標(biāo),失效內(nèi)壓和失效拉力作為縱坐標(biāo),將兩條擬合曲線繪制在同一個(gè)圖上,如圖6所示。圖6將作為單角度鋪層截面設(shè)計(jì)的主要工具,為在內(nèi)壓和拉伸荷載下的TCP管道的增強(qiáng)層厚度的設(shè)計(jì)提供依據(jù)。

圖6 增強(qiáng)層層數(shù)與失效內(nèi)壓、失效拉力關(guān)系曲線(以55°纏繞增強(qiáng)層)Fig.6 Relation curve of number of reinforcement layers,failure internal pressure and failure tension(reinforcement layer wound at 55°)

1.2 設(shè)計(jì)結(jié)果以及整體驗(yàn)證

假設(shè)以管道承受內(nèi)壓荷載40 MPa、拉伸荷載250 kN為例,說明單角度鋪層TCP管截面的設(shè)計(jì)方法。根據(jù)圖6的內(nèi)壓曲線和拉力曲線進(jìn)行增強(qiáng)層設(shè)計(jì)。首先,為滿足40 MPa內(nèi)壓荷載,對(duì)應(yīng)的增強(qiáng)層層數(shù)為25層;然后,為滿足250 kN拉伸荷載,對(duì)應(yīng)的增強(qiáng)層層數(shù)為45層;另外,為保證TCP管的扭矩平衡,增強(qiáng)層通常為偶數(shù)層,因此TCP管道增強(qiáng)層的初步設(shè)計(jì)選擇為46層,以滿足40 MPa內(nèi)壓和250 kN拉伸荷載的設(shè)計(jì)要求。

用ABAQUS建立1.1中所設(shè)計(jì)的含有46層纖維增強(qiáng)層的TCP管道模型,并分別加載40 MPa內(nèi)壓和250 kN軸向拉伸荷載,以驗(yàn)證所設(shè)計(jì)管道截面的可靠性,模型加載情況以及失效因子如表3所示。

表3 單角度鋪層復(fù)合管道在內(nèi)壓或拉伸荷載下的失效因子Table 3 Failure factor of single angle stacking TCP under internal pressure or tensile load

管道加載的失效情況如圖7和圖8所示。

圖7 單角度鋪層的TCP管道在40 MPa內(nèi)壓作用下的失效因子Fig.7 Failure factor of single angle stacking TCP under the action of 40 MPa internal pressure

圖8單角度鋪層的TCP管道在250 kN軸向拉力作用下的失效因子Fig.8 Failure factor of single angle stacking TCP under the action of 250 kN axial tension

圖7和圖8左上方UVARM1的值表示三維Tsaiwu失效準(zhǔn)則的失效因子。從圖7、圖8可以看出,所設(shè)計(jì)的含有46層纖維增強(qiáng)層的TCP管道在2種工況下,最內(nèi)層的增強(qiáng)層失效因子數(shù)值最大,這說明最內(nèi)層最容易發(fā)生材料失效。同時(shí),所有層的失效因子均小于1,說明管道未失效,設(shè)計(jì)可靠。

2 多角度鋪層的TCP管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

新型多角度鋪層的TCP管道具有2種鋪層角度,其管壁由4層組成,分別是內(nèi)襯層、抗內(nèi)壓層、抗拉伸層和外保護(hù)層。管道的主要承載層為抗內(nèi)壓層和抗拉伸層,其中抗內(nèi)壓層中的纖維增強(qiáng)帶以大角度纏繞,主要用于抵抗內(nèi)壓荷載;抗拉伸層的纖維增強(qiáng)帶以小角度纏繞,主要用于抵抗軸向拉力。

筆者對(duì)承受相同內(nèi)壓和拉伸荷載的TCP管道進(jìn)行了多角度鋪層的截面設(shè)計(jì)。保持內(nèi)襯層、外保護(hù)層的厚度和各結(jié)構(gòu)層的材料不變,對(duì)多角度鋪層的TCP管道進(jìn)行截面設(shè)計(jì),主要設(shè)計(jì)點(diǎn)是抗內(nèi)壓層和抗拉伸層的鋪層角度和厚度。

首先對(duì)鋪層角度與承載力的關(guān)系進(jìn)行了研究分析,以此為基礎(chǔ)來選取抗內(nèi)壓層和抗拉伸層的纖維鋪設(shè)角度,隨后也對(duì)抗內(nèi)壓層、抗拉伸層的厚度與承載力的關(guān)系進(jìn)行了研究分析,為抗內(nèi)壓層和抗拉伸層的厚度選取提供依據(jù)。

2.1 鋪層角度與失效內(nèi)壓、失效拉力的關(guān)系研究

以含有30層增強(qiáng)層的TCP管道模型為例,通過算例模擬來探究鋪層角度對(duì)內(nèi)壓承載力和拉伸承載力的影響。改變纖維增強(qiáng)帶的纏繞角度,并分別對(duì)管道線性加載內(nèi)壓(不考慮內(nèi)壓所引起的端部拉力)和軸向拉力,得到了增強(qiáng)層纏繞角度與失效內(nèi)壓、失效拉力的關(guān)系曲線,如圖9和圖10所示。圖中黑色叉型點(diǎn)為纏繞角度與對(duì)應(yīng)的失效內(nèi)壓、失效拉力所組成的數(shù)據(jù)點(diǎn),藍(lán)色線是由數(shù)據(jù)點(diǎn)連接而成的曲線。

從圖9和圖10可以看出,纖維增強(qiáng)層的纏繞角度越小,管道對(duì)軸向拉伸荷載的承載能力越強(qiáng);纏繞角度越大時(shí),管道對(duì)內(nèi)壓的承載能力越強(qiáng)。隨著纏繞角度的增加,管道極限承載內(nèi)壓的增加速率逐漸降低,當(dāng)纏繞角度大于75°時(shí),極限承載內(nèi)壓變化很小。

圖9 纏繞角度與失效內(nèi)壓關(guān)系曲線Fig.9 Winding angle vs.failure internal pressure

圖10 纏繞角度與失效拉力關(guān)系曲線Fig.10 Winding angle vs.failure tension

根據(jù)鋪層角度與失效內(nèi)壓、失效拉力的關(guān)系趨勢(shì),來設(shè)計(jì)抗內(nèi)壓層和抗拉伸層的鋪層角度。當(dāng)纏繞角度為75°時(shí),內(nèi)壓承載力較好,因此抗內(nèi)壓層的增強(qiáng)帶以75°鋪設(shè)。抗拉伸層增強(qiáng)帶的纏繞角度不能太小,否則管道的彎曲剛度會(huì)過大,導(dǎo)致管道的柔性變差。因此,抗拉伸層的增強(qiáng)帶以30°鋪設(shè)。

2.2 多角度鋪層的設(shè)計(jì)方法

根據(jù)增強(qiáng)層層數(shù)的變化,共建立5個(gè)僅含有內(nèi)襯層和抗內(nèi)壓層的TCP管道模型?？箖?nèi)壓層由玻纖增強(qiáng)聚乙烯單向帶以沿軸向75°交錯(cuò)纏繞鋪設(shè)而成。對(duì)每個(gè)管道模型的內(nèi)壁都線性加載內(nèi)壓(不考慮由內(nèi)壓引起的端部拉力),經(jīng)過計(jì)算得出不同增強(qiáng)層層數(shù)所對(duì)應(yīng)的管道失效內(nèi)壓,結(jié)果如表4所示。

表4 纏繞角度為75°時(shí),增強(qiáng)層層數(shù)、失效內(nèi)壓和失效拉力數(shù)值Table 4 Number of reinforcement layers,failure internal pressure and failure tension at the winding angle of 75°

以增強(qiáng)層層數(shù)為橫坐標(biāo),管道的失效內(nèi)壓為縱坐標(biāo),繪制了散點(diǎn)圖,再利用回歸分析法對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行曲線擬合。擬合曲線和擬合公式如圖11所示。圖11顯示此擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)R2為0.989 1,大于0.9,說明擬合效果達(dá)到要求。

圖11 纏繞角度為75°時(shí),增強(qiáng)層層數(shù)與失效內(nèi)壓的擬合曲線Fig.11 Fitting curve of number of reinforcement layers and failure internal pressure at the winding angle of 75°

根據(jù)圖11中的擬合公式,可計(jì)算出當(dāng)抗內(nèi)壓層的增強(qiáng)層層數(shù)至少為14層時(shí),可承載內(nèi)壓荷載40 MPa。此時(shí)抗內(nèi)壓層的外徑為82 mm,在此基礎(chǔ)上進(jìn)行抗拉伸層的設(shè)計(jì)。

根據(jù)增強(qiáng)層層數(shù)的變化,共建立5個(gè)僅含有抗拉伸層和外保護(hù)層的TCP管道有限元模型?？估鞂佑刹＠w增強(qiáng)聚乙烯單向帶以沿軸向30°交錯(cuò)纏繞鋪設(shè)而成。對(duì)每一個(gè)管道模型的端部都線性加載軸向拉伸荷載,經(jīng)計(jì)算,得出了不同增強(qiáng)層層數(shù)所對(duì)應(yīng)的失效拉力,結(jié)果如表4所示。同樣用回歸分析法對(duì)增強(qiáng)層層數(shù)與失效拉力的關(guān)系進(jìn)行曲線擬合,擬合曲線如圖12所示。圖12所顯示的擬合曲線的相關(guān)性系數(shù)R2為0.999 7,大于0.9,說明擬合效果達(dá)到要求。圖11和圖12將作為多角度鋪層截面設(shè)計(jì)的主要工具,為抗內(nèi)壓層、抗拉伸層的厚度選取提供了依據(jù)。

2.3 設(shè)計(jì)結(jié)果以及整體驗(yàn)證

根據(jù)圖11擬合曲線的公式,計(jì)算出當(dāng)抗內(nèi)壓層的增強(qiáng)層層數(shù)至少為14層時(shí),方可承載內(nèi)壓荷載40 MPa。根據(jù)圖12擬合曲線的公式,可以計(jì)算出若要承載250 kN的軸向拉力,管道的抗拉伸層的增強(qiáng)層層數(shù)至少為14層。

圖12 纏繞角度為30°時(shí),增強(qiáng)層層數(shù)與失效拉力的擬合曲線Fig.12 Fitting curve of number of reinforcement layers and failure tension at the winding angle of 30°

對(duì)所設(shè)計(jì)的多角度鋪層的TCP管道整體進(jìn)行建模,并分別加載40 MPa內(nèi)壓和250 kN軸向拉伸荷載,以驗(yàn)證模型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性。驗(yàn)證結(jié)果顯示,管道承載40 MPa內(nèi)壓時(shí)沒有發(fā)生失效,而承載250 kN軸向拉伸荷載時(shí)卻發(fā)生了失效。這是因?yàn)樵?50 kN的軸向荷載下,管道抗內(nèi)壓層所受的拉力過大,超過了抗內(nèi)壓層基體的抗拉強(qiáng)度,從而發(fā)生了基體的材料失效。增加抗拉伸層的層數(shù)將會(huì)降低抗內(nèi)壓層的軸向受力,從而可以避免抗內(nèi)壓層的材料失效。經(jīng)過模擬計(jì)算得出抗拉伸層的增強(qiáng)層層數(shù)至少為22層時(shí),管道方可承載40 MPa內(nèi)壓或250 kN的軸向拉力。

綜上,新型多角度鋪層的TCP管道的抗內(nèi)壓層的增強(qiáng)層數(shù)至少為14層,抗拉伸層的增強(qiáng)層數(shù)至少為22層,整個(gè)管道的增強(qiáng)層總層數(shù)至少為36層時(shí),可承載設(shè)計(jì)荷載而不發(fā)生失效。

以多角度進(jìn)行鋪層,管道增強(qiáng)層總層數(shù)為36層的TCP管道模型的加載情況以及失效因子如表5所示。模型最終的驗(yàn)證結(jié)果如圖13和圖14所示。

表5 多角度鋪層復(fù)合管道在內(nèi)壓或拉伸荷載下的失效因子Table 5 Failure factor of multi angle stacking TCP under internal pressure or tensile load

圖13 多角度鋪層的TCP管道在40 MPa內(nèi)壓作用下的失效因子Fig.13 Failure factor of multi angle stacking TCP under the action of 40 MPa internal pressure

圖14 多角度鋪層的TCP管道在250 kN軸向拉力作用下的失效因子Fig.14 Failure factor of multi angle stacking TCP under the action of 250 kN axial tension

從圖13和圖14可以看出,含有36層纖維增強(qiáng)層的多角度鋪層的TCP管道在2種工況下,最內(nèi)層的增強(qiáng)層的失效因子數(shù)值最大,這說明最內(nèi)層的纖維增強(qiáng)層最容易發(fā)生材料失效。同時(shí),所有增強(qiáng)層的失效因子均小于1,說明管道未失效,設(shè)計(jì)可靠。

當(dāng)管道內(nèi)壓為40 MPa、拉伸荷載為250 kN時(shí),經(jīng)過本文的設(shè)計(jì),與增強(qiáng)層以單角度鋪層的TCP管道相比,增強(qiáng)層以多角度鋪層的TCP管道的增強(qiáng)層總數(shù)整整少了10層,管道的壁厚減少了2.5 mm。這大大降低了管道的材料消耗,也降低了管道的自重。

3 結(jié)論

(1)采用三維Tsai-wu失效準(zhǔn)則,對(duì)在內(nèi)壓和拉伸荷載作用下的TCP管道進(jìn)行失效判定。結(jié)果顯示TCP管道的增強(qiáng)層以55°纏繞時(shí),隨著增強(qiáng)層層數(shù)的增加,管道的失效內(nèi)壓的增加速率逐漸變小;隨著增強(qiáng)層層數(shù)的增加,管道的失效拉力有線性增加的趨勢(shì)。TCP管道的增強(qiáng)層層數(shù)不變時(shí),隨著纏繞角度的增加,管道的失效內(nèi)壓增加的速率逐漸降低,并在75°左右出現(xiàn)峰值;隨著纏繞角度的增加,管道的失效拉力降低的速率逐漸變小。

(2)當(dāng)設(shè)計(jì)拉伸荷載較大時(shí),無論是以55°進(jìn)行單角度鋪層的TCP管道,還是以30°、75°進(jìn)行多角度鋪層的TCP管道,最內(nèi)層的增強(qiáng)層更容易發(fā)生材料失效。相較于內(nèi)壓荷載,管道承受拉伸荷載時(shí)更容易發(fā)生材料失效。

(3)對(duì)于承受內(nèi)壓和軸向拉伸荷載的TCP管道而言,多角度鋪層的TCP管道要比單角度鋪層的TCP管道節(jié)省材料。