內(nèi)壓和彎曲聯(lián)合作用下鋼絲纏繞增強塑料復(fù)合管力學(xué)性能研究.pdf

1、鋼絲纏繞增強塑料復(fù)合管（簡稱PSP）是一種新型的復(fù)合管道。它是以高密度聚乙烯（簡稱HDPE）為基體材料，以高強度的鋼絲左右纏繞成網(wǎng)狀骨架為增強體，用高性能的熱熔膠將鋼絲和HDPE緊密地粘結(jié)在一起。PSP結(jié)合了鋼絲的高強度和HDPE耐腐蝕的特性，被廣泛地應(yīng)用在海洋、石油、化工和市政等領(lǐng)域。
　　PSP應(yīng)用在海洋條件時將受到復(fù)雜載荷的作用，除了受內(nèi)壓作用，還會受到墜落物撞擊、船只拖網(wǎng)、拋錨拖曳和波浪沖擊等彎曲載荷作用，并受溫度等因素的

2、影響。因此內(nèi)壓和彎曲是海洋工況中典型的組合載荷，當(dāng)組合載荷超過PSP的承載能力時，PSP將發(fā)生失效，并造成經(jīng)濟損失和生態(tài)破壞。而過往研究中僅分別對PSP承載內(nèi)壓和彎曲進行了相關(guān)研究，沒有考慮到PSP承受兩者聯(lián)合作用的情況，且尚無復(fù)雜載荷條件的試驗裝備。因此內(nèi)壓和彎曲聯(lián)合作用下PSP的力學(xué)性能研究很有必要，對PSP的安全應(yīng)用和工程設(shè)計具有十分重要的意義。
　　本文在國家自然基金“基于粘彈性損傷模型的聚乙烯管材慢速裂紋擴展機理研究”（

3、項目編號:51575480）和“聚乙烯管道電熔焊接接頭超聲檢測特征線的形成機理研究”（項目編號:51305394）的支持下，對內(nèi)壓和彎曲聯(lián)合作用下PSP的力學(xué)性能進行試驗和有限元研究，主要完成的工作如下:
　　(1)針對海洋復(fù)雜載荷條件和聚乙烯溫度相關(guān)、率相關(guān)的材料特性，提出試驗裝備的功能:裝備可對試樣管施加內(nèi)壓和彎曲載荷，并能控制溫度和彎曲速率;根據(jù)功能要求設(shè)計裝備的結(jié)構(gòu)，分別從機械結(jié)構(gòu)、液壓回路和測試系統(tǒng)方面進行設(shè)計;機械結(jié)構(gòu)

4、方面，實現(xiàn)將試樣管自動移到水箱內(nèi)的過程;液壓回路方面，分別設(shè)計液壓回路以實現(xiàn)多功能彎曲加載;測試系統(tǒng)方面，通過估算確定加載油缸的最大載荷等參數(shù);根據(jù)設(shè)計方案組裝和搭建試驗裝備;裝備的設(shè)計方案獲國家發(fā)明專利授權(quán)。
　　(2)開展室溫下(20℃) PSP的內(nèi)壓和彎曲組合載荷試驗，試樣管失效前發(fā)出密集鋼絲斷裂聲，最后試樣管破裂并噴射出大量水;將破口處的外層HDPE剖開，可看到10根鋼絲發(fā)生了斷裂，將鋼絲斷裂作為PSP的失效判據(jù);根據(jù)彎矩

5、-位移曲線圖可知彎矩呈先增大后減小的趨勢，得出極限彎矩和失效位移;通過計算內(nèi)壓降低率以表征PSP在彎曲過程中體積增大的程度;開展其他不同溫度下（40℃和60℃）PSP的內(nèi)壓和彎曲組合載荷試驗，得到不同溫度下PSP的極限彎矩、失效位移和內(nèi)壓降低率，結(jié)果顯示:溫度越高，則極限彎矩越低、失效位移越小，而內(nèi)壓降低率基本不變。
　　(3)根據(jù)試驗加載和接觸條件建立PSP有限元模型;比較試驗和有限元的彎矩-位移曲線，兩者平均相對誤差為4.4％

6、，從而驗證有限元模型;計算不同加載位移下的抗彎剛度，結(jié)合彎矩-位移曲線，分析PSP在不同階段下的彎曲過程，得出極限彎矩;根據(jù)HDPE和鋼絲的應(yīng)力云圖并結(jié)合試驗結(jié)論，將鋼絲斷裂作為PSP模型的失效判據(jù)，計算PSP失效時的曲率;分別計算僅受內(nèi)壓作用、僅受彎曲作用和內(nèi)壓彎曲聯(lián)合作用下鋼絲的應(yīng)變，分析組合載荷之間的關(guān)系;分別計算不同溫度和內(nèi)壓下的極限彎矩，擬合二元線性回歸方程;討論鋼絲根數(shù)和纏繞角度對極限彎矩的影響;分別建立不同工作壓力規(guī)格和不