纖維纏繞復(fù)合材料彎管的強(qiáng)度分析

纖維纏繞復(fù)合材料彎管的強(qiáng)度分析

1纖維織物彎管強(qiáng)度有限元分析自20世紀(jì)40年代安裝第一座鋼筋混凝土管道以來(lái)，預(yù)防水蝕和建筑材料管道迅速發(fā)展。目前,玻璃鋼管道已進(jìn)入成熟階段,成為通用管道。由于采用纖維纏繞復(fù)合材料彎管具有強(qiáng)度高、模量高、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高和成本低等特點(diǎn),并已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國(guó)家主要的彎管成型工藝。我國(guó)從20世紀(jì)70年代初開(kāi)始小批量生產(chǎn)玻璃鋼管道,工藝以纏繞和手糊為主。近年來(lái),我國(guó)也開(kāi)始采用纖維纏繞方式進(jìn)行復(fù)合材料彎管的生產(chǎn)。目前,對(duì)于纖維纏繞結(jié)構(gòu)工藝的研究較多,例如:纖維纏繞過(guò)程中的曲面架空問(wèn)題;纖維纏繞過(guò)程中的張力;纖維纏繞圓柱殼的前屈曲變形問(wèn)題;通過(guò)考慮材料的非線性因素,對(duì)纖維纏繞殼體的變形進(jìn)行分析和計(jì)算;以及對(duì)纖維纏繞壓力容器結(jié)構(gòu),基于網(wǎng)絡(luò)理論,給出了纖維纏繞圓筒壓力容器和封頭爆破壓強(qiáng)的計(jì)算方法,并給出了用模擬實(shí)驗(yàn)壓力容器確定纖維發(fā)揮強(qiáng)度的方法。本文提出采用商用有限元分析軟件ANSYS,利用其中的層合板單元,對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料彎管的強(qiáng)度進(jìn)行分析,并進(jìn)一步預(yù)測(cè)了彎管的破壞壓力。通過(guò)與試驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比,驗(yàn)證了分析模型和分析方法的有效性,為分析纖維纏繞彎管結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提供了一種有效的途徑,該方法可為纖維纏繞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。2芯模結(jié)構(gòu)尺寸90°彎管,無(wú)堿玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂纏繞單向板材料常數(shù)如表1所示。芯模結(jié)構(gòu)尺寸為:內(nèi)徑為315mm,彎頭曲率半徑為457.5mm。直管段長(zhǎng)度為150mm,纏繞角為78.6°,紗片寬度為20mm。2.2有限元分析結(jié)果將彎管視為層合板,鋪層為[(±α)4]T,彎管最薄處為6.2mm,最薄處鋪層的平均厚度為0.775mm。將整個(gè)彎管共劃分為9264個(gè)節(jié)點(diǎn)和3234個(gè)單元。其中彎管復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部分采用SHELL99單元類(lèi)型,其直管段沿圓周方向劃分為44個(gè)單元,沿軸向劃分為10個(gè)單元,兩段直管段共分為880個(gè)單元;90°彎管段沿圓周方向分為44個(gè)單元,沿母線方向劃分為48個(gè)單元,共計(jì)分為2112個(gè)單元。彎管的兩個(gè)端部為金屬板,厚度為10mm,采用SHELL63單元,共劃分為242個(gè)單元。有限元分析的網(wǎng)格如圖1所示。由于90°彎管段在纏繞過(guò)程中,其厚度和纏繞角隨著坐標(biāo)的變化而變化。因此,在生成單元時(shí),采用直接生成方法,即先依次給出各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo),然后由節(jié)點(diǎn)生成單元,并指定單元的厚度和鋪層角度。每一個(gè)單元即為一個(gè)層合板,其鋪層均為8層,每一層的厚度和纏繞角取纖維纏繞芯模時(shí)布滿(mǎn)一次的平均厚度和平均纏繞角。彎管兩端固支,內(nèi)壓為0.6MPa。應(yīng)力分析結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2給出了彎管軸向應(yīng)力的分布圖,從圖2中可以看出,軸向應(yīng)力最大值為6.06MPa,位于最大曲率處,較小的軸向應(yīng)力位于曲率最小處,而且軸向應(yīng)力沿彎管由中心向兩端逐漸減小。圖3給出了彎管周向應(yīng)力的分布,其中最大的周向應(yīng)力為16MPa,最小的周向應(yīng)力為5.99MPa,均位于彎管中與直管相連接處附近。圖4為彎管在0.6MPa內(nèi)壓作用下,最大應(yīng)力判據(jù)值的分布圖。從圖4中可以看出,此時(shí)結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力判據(jù)值為0.8808,位于彎管中與直管相連接處附近。在彎管曲率最大處附近,最大應(yīng)力判據(jù)值為0.741。2.3彎管兩端與管體兩端相對(duì)誤差為驗(yàn)證彎管應(yīng)變分析結(jié)果的合理性,將彎管在0.6MPa內(nèi)壓載荷作用下的應(yīng)變分析結(jié)果與試驗(yàn)值(試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)如圖5所示)列于表2和表3中。從表2和表3可以看出,對(duì)纖維纏繞復(fù)合材料彎管的應(yīng)變分析中,測(cè)試點(diǎn)9～14的應(yīng)變的分析結(jié)果較為準(zhǔn)確,其變化趨勢(shì)與測(cè)試結(jié)果基本一致。在0.6MPa內(nèi)壓載荷作用下,軸向應(yīng)變和周向應(yīng)變的最大的相對(duì)誤差分別為1.98%和1.66%。在彎管兩端與直管段相連接處附近,有限元的分析結(jié)果與測(cè)試值之間誤差較大,軸向應(yīng)變和周向應(yīng)變的最大相對(duì)誤差分別為4.24%和3.95%。誤差較大的原因如下:(1)由于試驗(yàn)時(shí),為防止管體徑向變形過(guò)大,在管體直線段處制作了加強(qiáng)帶,這使得有限元的分析模型與試件的物理模型之間存在一定的差別,因而分析結(jié)果誤差較大;(2)由于端蓋與管體為承插式連接,而管體的直管段較短,這勢(shì)必使得端蓋的受力情況影響到直管段以及與直管段相連接的彎管附近區(qū)域的應(yīng)力分布,因此也使得有限元的分析結(jié)果與試件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)有較大的出入。隨著測(cè)試點(diǎn)遠(yuǎn)離直管段,應(yīng)變的有限元分析結(jié)果與試件的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)比較一致。2.4最大應(yīng)力判據(jù)值的確定基于彈性結(jié)構(gòu)假設(shè),預(yù)測(cè)破壞載荷方法如下:(1)在復(fù)合材料彎管內(nèi)表面施加任一內(nèi)壓載荷,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,給出應(yīng)力判據(jù)值較大的幾個(gè)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)力判據(jù)值;(2)在前一級(jí)載荷的基礎(chǔ)上,施加任意載荷增量,對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行應(yīng)力分析,仍給出相應(yīng)幾個(gè)節(jié)點(diǎn)上的最大應(yīng)力判據(jù)值;(3)利用載荷與節(jié)點(diǎn)應(yīng)力的線性相關(guān)的性質(zhì),預(yù)測(cè)結(jié)構(gòu)的破壞載荷。對(duì)該纖維纏繞復(fù)合材料彎管,給定內(nèi)壓0.5MPa,利用最大應(yīng)力判據(jù),計(jì)算出最大應(yīng)力判據(jù)值較大的三個(gè)節(jié)點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)號(hào)分別為1782,2589和2611)的判據(jù)值分別為0.659、0.625、0.617。由此,可求得最大應(yīng)力判據(jù)值的平均值分別為0.634。根據(jù)最大應(yīng)力判據(jù),當(dāng)判據(jù)值為1時(shí),結(jié)構(gòu)處于臨界破壞狀態(tài),此時(shí)彎管結(jié)構(gòu)的破壞載荷為0.788MPa。3彎管內(nèi)繞及破壞方式分析(1)采用最大應(yīng)力準(zhǔn)則基本上可以預(yù)測(cè)纖維纏繞復(fù)合材料彎管的破壞載荷。(2)無(wú)堿玻璃纖維/環(huán)氧樹(shù)脂纏繞彎管的耐壓值為0.788MPa,破壞基本上都發(fā)生在彎管的表面區(qū)域,主要是由環(huán)向拉伸應(yīng)力引起的。(3)由于彎管纏繞過(guò)程比較復(fù)雜