內(nèi)壓和彎曲聯(lián)合作用下鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管力學(xué)性能研究.pdf_第1頁(yè)
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1、鋼絲纏繞增強(qiáng)塑料復(fù)合管(簡(jiǎn)稱PSP)是一種新型的復(fù)合管道。它是以高密度聚乙烯(簡(jiǎn)稱HDPE)為基體材料,以高強(qiáng)度的鋼絲左右纏繞成網(wǎng)狀骨架為增強(qiáng)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(qiáng)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(shí)將受到復(fù)雜載荷的作用,除了受內(nèi)壓作用,還會(huì)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(guò)PSP的承載能力時(shí),PSP將發(fā)生失效,并造成經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)破壞。而過(guò)往研究中僅分別對(duì)PSP承載內(nèi)壓和彎曲進(jìn)行了相關(guān)研究,沒(méi)有考慮到PSP承受兩者聯(lián)合作用的情況,且尚無(wú)復(fù)雜載荷條件的試驗(yàn)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(duì)PSP的安全應(yīng)用和工程設(shè)計(jì)具有十分重要的意義。
  本文在國(guó)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(kuò)展機(jī)理研究”(

3、項(xiàng)目編號(hào):51575480)和“聚乙烯管道電熔焊接接頭超聲檢測(cè)特征線的形成機(jī)理研究”(項(xiàng)目編號(hào):51305394)的支持下,對(duì)內(nèi)壓和彎曲聯(lián)合作用下PSP的力學(xué)性能進(jìn)行試驗(yàn)和有限元研究,主要完成的工作如下:
  (1)針對(duì)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(yàn)裝備的功能:裝備可對(duì)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(jì)裝備的結(jié)構(gòu),分別從機(jī)械結(jié)構(gòu)、液壓回路和測(cè)試系統(tǒng)方面進(jìn)行設(shè)計(jì);機(jī)械結(jié)構(gòu)

4、方面,實(shí)現(xiàn)將試樣管自動(dòng)移到水箱內(nèi)的過(guò)程;液壓回路方面,分別設(shè)計(jì)液壓回路以實(shí)現(xiàn)多功能彎曲加載;測(cè)試系統(tǒng)方面,通過(guò)估算確定加載油缸的最大載荷等參數(shù);根據(jù)設(shè)計(jì)方案組裝和搭建試驗(yàn)裝備;裝備的設(shè)計(jì)方案獲國(guó)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(yàn),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(shì),得出極限彎矩和失效位移;通過(guò)計(jì)算內(nèi)壓降低率以表征PSP在彎曲過(guò)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(yàn),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(yàn)加載和接觸條件建立PSP有限元模型;比較試驗(yàn)和有限元的彎矩-位移曲線,兩者平均相對(duì)誤差為4.4%

6、,從而驗(yàn)證有限元模型;計(jì)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(guò)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(yàn)結(jié)論,將鋼絲斷裂作為PSP模型的失效判據(jù),計(jì)算PSP失效時(shí)的曲率;分別計(jì)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(jì)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(duì)極限彎矩的影響;分別建立不同工作壓力規(guī)格和不

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