纖維纏繞復合材料彎管的強度分析

纖維纏繞復合材料彎管的強度分析

1纖維織物彎管強度有限元分析自20世紀40年代安裝第一座鋼筋混凝土管道以來，預防水蝕和建筑材料管道迅速發(fā)展。目前,玻璃鋼管道已進入成熟階段,成為通用管道。由于采用纖維纏繞復合材料彎管具有強度高、模量高、質量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高和成本低等特點,并已經(jīng)成為發(fā)達國家主要的彎管成型工藝。我國從20世紀70年代初開始小批量生產(chǎn)玻璃鋼管道,工藝以纏繞和手糊為主。近年來,我國也開始采用纖維纏繞方式進行復合材料彎管的生產(chǎn)。目前,對于纖維纏繞結構工藝的研究較多,例如:纖維纏繞過程中的曲面架空問題;纖維纏繞過程中的張力;纖維纏繞圓柱殼的前屈曲變形問題;通過考慮材料的非線性因素,對纖維纏繞殼體的變形進行分析和計算;以及對纖維纏繞壓力容器結構,基于網(wǎng)絡理論,給出了纖維纏繞圓筒壓力容器和封頭爆破壓強的計算方法,并給出了用模擬實驗壓力容器確定纖維發(fā)揮強度的方法。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,對纖維纏繞復合材料彎管的強度進行分析,并進一步預測了彎管的破壞壓力。通過與試驗結果的對比,驗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構的強度提供了一種有效的途徑,該方法可為纖維纏繞結構的設計提供有價值的參考。2芯模結構尺寸90°彎管,無堿玻璃纖維/環(huán)氧樹脂纏繞單向板材料常數(shù)如表1所示。芯模結構尺寸為:內徑為315mm,彎頭曲率半徑為457.5mm。直管段長度為150mm,纏繞角為78.6°,紗片寬度為20mm。2.2有限元分析結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。將整個彎管共劃分為9264個節(jié)點和3234個單元。其中彎管復合材料結構部分采用SHELL99單元類型,其直管段沿圓周方向劃分為44個單元,沿軸向劃分為10個單元,兩段直管段共分為880個單元;90°彎管段沿圓周方向分為44個單元,沿母線方向劃分為48個單元,共計分為2112個單元。彎管的兩個端部為金屬板,厚度為10mm,采用SHELL63單元,共劃分為242個單元。有限元分析的網(wǎng)格如圖1所示。由于90°彎管段在纏繞過程中,其厚度和纏繞角隨著坐標的變化而變化。因此,在生成單元時,采用直接生成方法,即先依次給出各節(jié)點的坐標,然后由節(jié)點生成單元,并指定單元的厚度和鋪層角度。每一個單元即為一個層合板,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布滿一次的平均厚度和平均纏繞角。彎管兩端固支,內壓為0.6MPa。應力分析結果如圖2和圖3所示。圖2給出了彎管軸向應力的分布圖,從圖2中可以看出,軸向應力最大值為6.06MPa,位于最大曲率處,較小的軸向應力位于曲率最小處,而且軸向應力沿彎管由中心向兩端逐漸減小。圖3給出了彎管周向應力的分布,其中最大的周向應力為16MPa,最小的周向應力為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內壓作用下,最大應力判據(jù)值的分布圖。從圖4中可以看出,此時結構的最大應力判據(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,最大應力判據(jù)值為0.741。2.3彎管兩端與管體兩端相對誤差為驗證彎管應變分析結果的合理性,將彎管在0.6MPa內壓載荷作用下的應變分析結果與試驗值(試驗測量點如圖5所示)列于表2和表3中。從表2和表3可以看出,對纖維纏繞復合材料彎管的應變分析中,測試點9～14的應變的分析結果較為準確,其變化趨勢與測試結果基本一致。在0.6MPa內壓載荷作用下,軸向應變和周向應變的最大的相對誤差分別為1.98%和1.66%。在彎管兩端與直管段相連接處附近,有限元的分析結果與測試值之間誤差較大,軸向應變和周向應變的最大相對誤差分別為4.24%和3.95%。誤差較大的原因如下:(1)由于試驗時,為防止管體徑向變形過大,在管體直線段處制作了加強帶,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)域的應力分布,因此也使得有限元的分析結果與試件的實測數(shù)據(jù)有較大的出入。隨著測試點遠離直管段,應變的有限元分析結果與試件的實測數(shù)據(jù)比較一致。2.4最大應力判據(jù)值的確定基于彈性結構假設,預測破壞載荷方法如下:(1)在復合材料彎管內表面施加任一內壓載荷,對結構進行應力分析,給出應力判據(jù)值較大的幾個節(jié)點的應力判據(jù)值;(2)在前一級載荷的基礎上,施加任意載荷增量,對結構進行應力分析,仍給出相應幾個節(jié)點上的最大應力判據(jù)值;(3)利用載荷與節(jié)點應力的線性相關的性質,預測結構的破壞載荷。對該纖維纏繞復合材料彎管,給定內壓0.5MPa,利用最大應力判據(jù),計算出最大應力判據(jù)值較大的三個節(jié)點(節(jié)點號分別為1782,2589和2611)的判據(jù)值分別為0.659、0.625、0.617。由此,可求得最大應力判據(jù)值的平均值分別為0.634。根據(jù)最大應力判據(jù),當判據(jù)值為1時,結構處于臨界破壞狀態(tài),此時彎管結構的破壞載荷為0.788MPa。3彎管內繞及破壞方式分析(1)采用最大應力準則基本上可以預測纖維纏繞復合材料彎管的破壞載荷。(2)無堿玻璃纖維/環(huán)氧樹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)向拉伸應力引起的。(3)由于彎管纏繞過程比較復雜