鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管粘彈性力學(xué)行為研究.pdf

1、鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管(簡(jiǎn)稱PSP)是一種性能優(yōu)良的新型復(fù)合管。它以高密度聚乙烯(HDPE)為基體，以高強(qiáng)度鋼絲左右螺旋纏繞成型的網(wǎng)狀骨架為增強(qiáng)體，采用高性能的粘結(jié)樹脂層將鋼絲網(wǎng)骨架與內(nèi)外層高密度聚乙烯緊密地連接在一起。這種獨(dú)特的結(jié)構(gòu)不僅使PSP集鋼管的高強(qiáng)度與塑料管的耐腐蝕性兩種優(yōu)點(diǎn)于一體，還克服了金屬板骨架增強(qiáng)塑料復(fù)合管易脫層等缺陷。PSP管生產(chǎn)效率高，綜合性能優(yōu)越，具有廣闊的應(yīng)用前景。 目前，PSP的生產(chǎn)廠家大多是按照經(jīng)驗(yàn)

2、及試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)制造，對(duì)生產(chǎn)中出現(xiàn)的實(shí)際問題無(wú)法尋求科學(xué)上有利指導(dǎo)，嚴(yán)重制約著PSP的發(fā)展。本文在高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金和國(guó)家教育部新世紀(jì)優(yōu)秀人才支持計(jì)劃的資助下，對(duì)PSP短期和長(zhǎng)期力學(xué)響應(yīng)特性、長(zhǎng)期外壓穩(wěn)定性以及PSP接頭端部鼓脹失效機(jī)理進(jìn)行了系統(tǒng)深入的研究。本文的主要研究?jī)?nèi)容和取得的創(chuàng)新成果為： (1)基于細(xì)觀力學(xué)理論，建立外矩形內(nèi)圓力學(xué)模型，預(yù)測(cè)PSP單層板的彈性參數(shù)；針對(duì)PSP的四層結(jié)構(gòu)，建立考慮內(nèi)外層鋼絲纏繞

3、角度差異引起PSP扭轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型，系統(tǒng)研究PSP整體彈性特性。提出PSP應(yīng)力分析三維數(shù)值模擬方法，建立相應(yīng)有限元分析模型。設(shè)計(jì)PSP內(nèi)壓試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果、理論計(jì)算結(jié)果和有限元模擬結(jié)果吻合。研究全絲纏繞和半絲纏繞兩種典型生產(chǎn)工藝對(duì)PSP失效模式、扭矩變化的影響，分析鋼絲纏繞角度對(duì)PSP外表面應(yīng)變的影響，提出生產(chǎn)中宜優(yōu)先選用的制造工藝。 (2)采用HDPE樣條進(jìn)行拉伸蠕變?cè)囼?yàn)，基于時(shí)間-溫度-應(yīng)力等效原理，提出PSP基體材料的

4、50a粘彈性本構(gòu)方程；基于PSP結(jié)構(gòu)特征，考慮基體和粘結(jié)劑的粘彈性，提出PSP線粘彈性力學(xué)分析模型，可用于PSP長(zhǎng)期壽命預(yù)測(cè)；設(shè)計(jì)PSP內(nèi)壓粘彈性試驗(yàn)，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果吻合。研究中得出的關(guān)于PSP外表面應(yīng)變和鋼絲平均應(yīng)力在50a內(nèi)隨時(shí)間變化的規(guī)律，鋼絲體分比和纏繞角等因素對(duì)PSP粘彈性行為影響的結(jié)論對(duì)PSP的設(shè)計(jì)、運(yùn)行具有重要指導(dǎo)意義。 (3)基于PSP各層的線粘彈性本構(gòu)關(guān)系，應(yīng)用扁殼理論，提出簡(jiǎn)支邊界條件下PSP蠕變

5、失穩(wěn)臨界壓力分析模型，應(yīng)用該模型計(jì)算得到PSP不同時(shí)間下的臨界失穩(wěn)載荷，給出蠕變失穩(wěn)臨界壓力的影響因素；設(shè)計(jì)搭建外壓和真空試驗(yàn)裝置，合理周密地設(shè)計(jì)試驗(yàn)內(nèi)容、試驗(yàn)步驟和測(cè)試方法，得到PSP在恒定外壓作用下的失穩(wěn)臨界時(shí)間，試驗(yàn)測(cè)試結(jié)果和理論計(jì)算結(jié)果吻合。研究中得出的關(guān)于PSP公稱直徑、鋼絲一粘結(jié)樹脂層厚度、HDPE層厚度、鋼絲纏繞角、鋼絲根數(shù)等設(shè)計(jì)參數(shù)與蠕變臨界壓力的關(guān)系對(duì)PSP的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)和安全運(yùn)行具有指導(dǎo)意義。 (4)提出PSP接頭應(yīng)力