內(nèi)壓對19mm鋼絲繩纏繞液壓膠管受力性能的影響

內(nèi)壓對19mm鋼絲繩纏繞液壓膠管受力性能的影響

隨著液壓機技術(shù)的進步，高壓管道的廣泛應(yīng)用范圍急劇擴大，鋼絲繩連接和旋轉(zhuǎn)管道得到了迅速發(fā)展。近年來,還出現(xiàn)了壓力可達30MPa以上,甚至高達100MPa的超高壓膠管。由于對高壓膠管結(jié)構(gòu)和力學(xué)特性要求的提高,過去的設(shè)計理論已不能滿足要求。根據(jù)有限元分析技術(shù)所提出的一系列新的設(shè)計理論帶來了一種全新的設(shè)計理念,在有限元分析中,可將膠管視為各向異性連續(xù)體,對其結(jié)構(gòu)和材料進行簡化。有限元分析可以預(yù)測不同結(jié)構(gòu)下膠管的性能,并可以解釋原因,從而可大幅度提高膠管的設(shè)計水平和效率。由于鋼絲纏繞角度不同,在相同內(nèi)壓作用下膠管橡膠層和鋼絲所受的應(yīng)力發(fā)生變化,從而導(dǎo)致膠管軸向和徑向形變量不同。本研究考慮了膠管中橡膠材料的非線性和不可壓縮性,采用Abaqus非線性有限元分析軟件對鋼絲纏繞液壓膠管在一定內(nèi)壓下進行結(jié)構(gòu)分析。1元模型的構(gòu)建1.1單根絲網(wǎng)密度以下簡稱工藝2Φ19mm四層鋼絲纏繞液壓膠管(河南利通橡膠有限公司提供)的斷面結(jié)構(gòu)如圖1所示,幾何參數(shù)如下:內(nèi)直徑19.00mm,內(nèi)膠厚度2.25mm,纏繞層厚度2.70mm,外膠厚度1.80mm,外直徑32.50mm,鋼絲直徑0.50mm,單根鋼絲理論強度540N,由內(nèi)向外各層鋼絲數(shù)量82,86,90,94根。在該分析中截取膠管中間部分(100mm)進行建模計算,如圖2所示,其中對純橡膠材料采用C3D8H雜交實體單元,對鋼絲層采用M3H4蒙皮單元,模型共有39363個單元、46578個節(jié)點。1.2材料模型的建立本研究鋼絲纏繞膠管由內(nèi)、中、外膠層和鋼絲層等組成,3個膠層分別使用3種各向同性的橡膠材料,鋼絲骨架層視為各向異性的簾線-橡膠復(fù)合材料。膠層所用橡膠材料是能承受彈性形變、具有非線性應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系的彈性材料,其力學(xué)行為可用適當(dāng)?shù)膽?yīng)變能密度函數(shù)(W)描述。本研究所用的材料模型為適用于不可壓縮材料的Rivlin模型。綜合考慮不同變形范圍內(nèi)的曲線擬合效果,決定采用經(jīng)過簡化的Rivlin模型,即Yeoh模型。Yeoh模型的具體形式為式中,C10,C20和C30為材料參數(shù);I1為第一應(yīng)變不變量。作為一種簡化的模型形式,Yeoh模型對橡膠材料在大變形范圍試驗數(shù)據(jù)擬合結(jié)果較好,同時也能利用單軸拉伸的試驗結(jié)果預(yù)報較復(fù)雜的變形狀態(tài)。本研究橡膠材料由單軸拉伸試驗得到應(yīng)力-應(yīng)變曲線,采用最小二乘法擬合出Abaqus計算所要求的橡膠材料參數(shù),鋼絲骨架材料由拉伸試驗得到的應(yīng)力-應(yīng)變曲線求取楊氏模量。具體橡膠材料參數(shù)C10,C20和C30如表1所示。鋼絲材料楊氏模量為177GPa,泊松比為0.3。膠管中鋼絲-橡膠層可以視為均一的正交各向異性材料,用加強筋模型來對其進行模擬,橡膠材料采用Yeoh模型,鋼絲采用各向同性材料模型。1.3限制條件和負荷調(diào)整考慮到膠管施加壓力的實際情況,邊界條件為管體的一端為全約束,另一端為部分約束;載荷施加表面為管體的內(nèi)表面。2結(jié)果與分析2.1膠管加壓對預(yù)應(yīng)力的影響膠管內(nèi)壓在35MPa以下,鋼絲層鋼絲角度均為53.5°,4層由內(nèi)到外角度符號依次為+,-,+,-。管體形變和鋼絲所受拉力隨內(nèi)壓的變化曲線如圖3所示。從圖3可以看出,膠管加壓后,管體變粗縮短,5~10MPa時,3個變量變化幅度很小,超過10MPa后,徑向、軸向形變量及鋼絲所受拉力趨于線性增大。施加載荷為35MPa,第1鋼絲層上管體形變、鋼絲所受拉力分布如圖4所示,其中鋼絲受力定義為鋼絲斷面上的應(yīng)力與簾線當(dāng)前截面積的乘積。從圖4可以看出:鋼絲層受力均勻,基本不存在應(yīng)力集中現(xiàn)象;徑向形變在管體的分布也比較均勻。2.2外兩次及其它角度下,共進線以0.5為間隔變化時,共壓力為5.5,有明顯差異;膠管模型鋼絲層角度按下述兩種情況變化(從內(nèi)到外鋼絲層分別為1~4層,下述角度均為絕對值,實際1~4層鋼絲角度符號依次為+,-,+,-)。(1)1和2層角度為53.5°,3和4層角度在53.5°~55.5°之間以0.5°為間隔變化,鋼絲安全倍數(shù)分別為4.33,4.42,4.47,4.52和4.57。(2)1和2層角度為55.5°,3和4層角度在53.5°~55.5°之間以0.5°為間隔變化,鋼絲安全倍數(shù)分別為4.57,4.59,4.66,4.73和4.80。兩種情況下管體形變及鋼絲所受拉力隨外兩層角度的變化趨勢如圖5所示。從安全倍數(shù)來看,這兩種情況的計算值都在4~5之間,可初步判斷所建模型符合實際情況。從圖5(a)可以看出,角度排列為55.5°,-55.5°,54.5°,-54.5°時膠管發(fā)生的軸向形變最大,角度排列為55.5°,-55.5°,55.5°,-55.5°時軸向形變最小。同時當(dāng)內(nèi)兩層角度為53.5°時,軸向形變隨外兩層鋼絲角度增大略有增加。從圖5(b)可以看出,角度排列為53.5°,-53.5°,53.5°,-53.5°時膠管的徑向形變最大;角度排列為55.5°,-55.5°,55.5°,-55.5°時徑向形變最小。同時徑向形變隨外兩層鋼絲角度增大而減小。從圖5(c)可以看出,角度排列為53.5°,-53.5°,53.5°,-53.5°時鋼絲所受拉力最大,角度排列為55.5°,-55.5°,55.5°,-55.5°時拉力最小。鋼絲拉力隨外兩層鋼絲角度的變化規(guī)律與徑向形變一致。根據(jù)上述分析,為使膠管變形量最小,4層鋼絲排列角度應(yīng)為55.5°,-55.5°,55.5°,-55.5°,此時膠管安全倍數(shù)最高,管內(nèi)鋼絲受力和管體徑向形變最小。3膠管內(nèi)壓情況下拉伸性能本研究采用Abaqus軟件建立Φ19mm四層鋼絲纏繞膠管模型,分析了受壓過程中膠管管體形變及內(nèi)部鋼絲所受拉力,得到如下結(jié)論。(1)對膠管施加內(nèi)壓過程中,內(nèi)壓較小時,管體變形量很小,達到10MPa以后,軸向形變、徑向形變及鋼絲受力隨壓力增大趨于線性增大。(2)當(dāng)膠管內(nèi)兩層鋼絲角度一