高壓玻璃鋼管成型工藝及失效預測研究.pdf

1、高壓玻璃鋼管具有比強度高、比剛度高、耐高壓、耐腐蝕、使用壽命長且易實現機械化、自動化等一系列優(yōu)點，在石油、化工和海洋等領域得到越來越廣泛的應用，其優(yōu)異的力學性能和獨特的內固化成型工藝一直受到極大的關注，如何實現高壓玻璃鋼管管體纏繞、固化和力學性能分析一體化是目前急待解決的問題。本文基于這一要求，完成了以下幾方面的研究工作:
　　首先，針對高壓玻璃鋼管體內加熱式固化成型的特點，建立了高壓玻璃鋼管固化過程的二維有限元模型，采用了變性方

2、法來構建導熱系數矩陣，開發(fā)了有限元代碼對高壓玻璃鋼管的固化過程進行了數值模擬，揭示了沿管體厚度方向的溫度和固化度變化規(guī)律以及纖維體積比對固化溫度產生的影響。數值模擬結果表明:該有限元模型能真實地反應高壓玻璃鋼管體的固化過程，為科學地制定固化工藝提供理論依據。
　　其次，用微分幾何理論推導出高壓玻璃鋼管體纏繞成型的非測地線纏繞軌跡、包角方程及繞絲頭運動方程，用有限元分析軟件ANSYS中的APDL參數化設計語言編制的程序可進行纏繞過程

3、的動態(tài)仿真數值模擬，得到的數據可直接用于兩軸數控纏繞機進行纏繞。在計算過程中，比較了經典的微分幾何方法和工程中常用的平面假設理論得到的芯模中心轉角的差異，結果表明:按微分幾何得到的線型與測地線接近，能更好地發(fā)揮纖維的力學性能，該方法可大大提高高壓玻璃鋼管體的結構效率。
　　第三，進行了三個部分的試驗研究工作，(1)對4種不同纖維體積含量的單向板進行了縱向拉伸和壓縮強度、縱向拉伸模量、橫向拉伸和壓縮強度、橫向拉伸模量、泊松比、面內剪

4、切強度和剪切模量等力學性能參數的測試，根據試驗結果求取了各力學參數的回歸方程;(2)對2種工作壓力分別為8.6MPa和15.5MPa的高壓玻璃鋼管體進行了失效壓力測試試驗;(3)對高壓玻璃鋼管體的纖維體積含量進行了整體測試和分層測試，為高壓玻璃鋼管失效強度的數值預測及分析提供了充分的試驗參考依據。
　　最后，針對高壓玻璃鋼管體材料的力學性能分布不均勻的特點，根據蔡-吳(Tsai-wu)失效準則，采用常規(guī)失效分析方法和逐步失效分析方

5、法，借助于通用有限元軟件ANSYS的APDL參數化設計語言，編程模擬2種不同壓力等級的管體層合板在加載過程中的失效強度并將預測結果同試驗結果進行對比，結果表明:(1)高壓玻璃鋼管體的逐漸失效過程是由管體外層向內層逐層進行的，內層的富樹脂層相當于彈性體，可產生比較大的變形量，能承受更大的內壓力;(2)常規(guī)失效分析，由于只考慮了管體最內層失效的壓力，忽視了其它各層失效后的剩余剛度，其預測值均低于實測失效壓力的平均值，8.6MPa管體和15.

6、5MPa管體預測誤差分別為為5.5％和6.5％，偏于保守。(3)逐漸失效分析則充分考慮了各層板失效后的剩余剛度，其預測值高于實測失效壓力的平均值，8.6MPa管體和15.5MPa管體預測誤差分別為2.9％和2.0％，更為合理。(4)高壓玻璃鋼管體層板的最終失效不是由纖維斷裂導致的，而是由于樹脂基體的失效引起的，這一點充分說明了高壓玻璃鋼管的內固化工藝在管體內表面形成的富樹脂層大大提高管體的承載能力。
　　本項目的研究，不僅為高壓玻