连续玻璃纤维增强聚乙烯复合管的力学性能分析与研究

摘要

连续玻璃纤维增强聚乙烯复合管（CGF-RTP）是一种全新的增强热塑性塑料管。该复合管以高密度聚乙烯为内管，以连续玻璃纤维增强聚乙烯复合带（CGFR-PECT）为增强层正反方向缠绕在内管上，以高密度聚乙烯为外包覆层，并经特殊工艺处理牢固结合为一体。该复合管具有较高的耐压性能、优良的物理性能以及可靠的连接性能，应用空间和市场前景十分广阔。然而，作为一种新型的复合管，目前对其相关技术的研究国内外鲜有文献报导。本文开展该复合管力学性能的分析与研究，对该复合管的安全使用、结构优化设计、降低成本具有重要意义。
　　为突出主要因素，简化数学模型，本文首先对CGF-RTP的管道结构及其材料做出基本假设。运用复合带弹性参数求解公式求出连续玻璃纤维增强聚乙烯复合带（CGFR-PECT）的弹性参数，并根据复合带中玻璃纤维和HDPE所占的比例求出其拉伸强度。通过拉伸实验，验证了所求复合带拉伸强度的准确性，同时也分析出了玻璃纤维在复合带承受拉伸载荷时的贡献程度。
　　根据CGF-RTP的结构特征，在弹性力学基本方程基础上建立了其力学性能的数学模型。运用有限元分析软件ANSYS，模拟分析了CGF-RTP在内压载荷下的受力状态。对CGF-RTP在不同内压载荷下进行应力分析，研究发现，增强层的主应力随着内压载荷的增大呈线性增长，且内层主应力增长的速度要大于外层。对CGF-RTP在同一内压载荷下进行应力分析，研究发现，增强层的受力远大于内外层HDPE且内层增强层的受力要大于外层增强层，同时还发现，增强层的环向应力和轴向应力由内到外呈线性递减。
　　以内增强层首先失效从而导致外增强层随之失效为失效模式，提出了CGF-RTP的失效准则；以增强层同时断裂失效而导致管道失效为失效模式，推导出了CGF-RTP的爆破压力理论公式。对CGF-RTP进行常温爆破试验，将试验结果分别与通过失效准则和爆破压力理论公式得到的管道爆破压力值进行对比，对比发现，通过失效准则得到的爆破压力值与试验结果吻合较好，证明所提出失效准则与相关失效模式的合理性。对CGF-RTP的爆破压力理论公式进行修正，并验证了修正后的CGF-RTP爆破压力理论公式的正确性。
　　对CGF-RTP的环刚度进行定义，提出其环刚度测试的实验方法。运用ANSYS对CGF-RTP的环刚度进行模拟计算，并在此基础上，对比分析CGF-RTP和相同几何尺寸的聚乙烯实壁管的环刚度，同时分析了不同增强层层数和缠绕角度对管道环刚度的影响。研究表明：复合带可以有效地提高管道环刚度，且随着增强层层数的增加，管道环刚度越来越大；在45°到55°范围内，随着增强层缠绕角度的增大，管道环刚度越来越小，且呈线性关系。对CGF-RTP进行环刚度试验，验证了CGF-RTP环刚度有限元分析结果及其相关结论的可靠性。

目录

第一个书签之前

摘 要

ABSTRACT

目 录

Contents

1 绪 论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 复合管的概述与种类

1.3 国内外研究现状

1.4 本文主要研究内容

2 CGF-RTP的基本假设和材料性能

2.1 引 言

2.2 基本假设

2.3 管道几何参数

2.4 管道材料性能

2.5 本章小结

3 内压载荷下CGF-RTP的应力分析

3.1 引 言

3.2 理论分析

3.3 有限元分析

3.4 结果分析与讨论

3.5 本章小结

4 CGF-RTP的爆破压力计算方法

4.1 引 言

4.2 CGF-RTP的失效准则

4.3 CGF-RTP爆破压力理论公式

4.4 实验验证

4.5 CGF-RTP爆破压力理论公式的修正

4.6 本章小结

5 CGF-RTP的环刚度分析

5.1 引 言

5.2 CGF-RTP的环刚度及测试方法

5.3 CGF-RTP环刚度有限元计算

5.4 结果分析与讨论

5.5 实验验证

5.6 本章小结

6 总结与展望

6.1 结 论

6.2 工作展望

参考文献

致 谢

攻读硕士学位期间取得的学术成果和获奖情况