一种预应力复合材料加固缺陷管道的极限承载力预测方法及装置

摘要

本发明公开一种预应力复合材料加固缺陷管道的极限承载力预测方法及装置，解决了现有的复合材料加固带有缺陷管道极限承载力的计算方法偏差的问题，本发明以复合材料达到极限抗拉强度为准则，通过幂指数硬化模型考虑管道塑性阶段的性能，判别管道是否发生屈服，考虑管道、填充材料以及复合材料之间的径向位移相等，根据管道的力学平衡条件计算推导内压爆破压力。本发明有效提高计算精度，从而实现复合材料加固带缺陷管道的极限承载力的计算，以进行复合材料加固带缺陷管道的评价与验证。

说明书

技术领域

本发明属于缺陷的管道的加固施工设计技术领域，具体涉及一种预应力复合材料加固缺陷管道的极限承载力预测方法及装置。

背景技术

管道在服役过程中可能出现不同形式的缺陷，对于缺陷，预应力复合材料加固缺陷管道是一种施工简单，适用面广的室温加固方法。爆破压力反应管道的极限承载力，准确计算复合材料加固带缺陷管道的极限承载力对评价复合材料的加固效果和加固后管道的强度起着重要的作用。目前复合材料加固带有缺陷管道极限承载力的计算方法以管道的应力达到极限抗拉强度为准则，试验研究证明，这种计算方法不符合复合材料加固非穿透型管道的破坏模式。对于复合材料加固的带有缺陷的管道，复合材料首先被拉断，随即管道发生爆破。

发明内容

针对上述背景技术的不足之处，本发明提供一种预应力复合材料加固缺陷管道的极限承载力计算方法，解决了现有的复合材料加固带有缺陷管道极限承载力的计算方法偏差的问题。

本发明采用的技术方案是：一种预应力复合材料加固缺陷管的极限承载力预测方法，包括以下步骤：

步骤1：依据管道、填充材料以及复合材料径向位移相等以及径向位移与环向应变的关系，以复合材料应变等于断裂伸长率时的内压为极限承载力，管道、填充材料以及复合材料的环向应变满足等式：

ε

式(1)中的ε

步骤2：当复合材料的环向应变等于断裂伸长率时，管道、填充材料以及复合材料的环向应力为：

σ

式(2)中的σ

E

步骤3：依据复合材料加固带缺陷管道在内压作用下的平衡条件，内压P与管道内径D，管道、填充材料以及复合材料应力的关系为：

PD＝2(σ

t

步骤4：将公式(2)带入(3)中，得到复合材料加固带缺陷管道的极限承载力P

步骤5：计算预应力引起的承载力增量：

未加固时，管道的平衡方程：

P

其中P

加固并施加预应力后，管道的平衡方程：

P

其中σ

预应力引起的管道应力增量：

σ

加固后，管道内压增加ΔP后平衡方程：

(P

联立公式(1)与(8)，由ΔP引起的管道应力增量：

当公式(8)与(9)的绝对值相等时，预应力引起的应力增量被内压引起的增量抵消，即此时的ΔP为预应力引起的承载力增量ΔP：

步骤6：将公式(4)中复合材料加固带缺陷管道的极限承载力P

进一步的，如上所述的方法，当

本发明的另一目的是，提供一种预应力复合材料加固缺陷管道的极限承载力预测装置，用于实现复合材料加固带缺陷管道的极限承载力的计算，所述装置包括：数据获取模块，用于获取管道弹性模量、屈服强度、塑性阶段的材料硬化常数、初始外径、初始内径以及缺陷区域管道的残余厚度，测得填充材料的弹性模量以及厚度，测得复合材料的弹性模量、断裂伸长率以及厚度；数据处理模块，通过对上述数据进行处理，然后通过如上所述的方法计算得到复合材料加固带缺陷管道的极限承载力。

本发明的另一目的是，提供一种计算机可读存储介质，存储又计算机程序，所述可读存储介质存储有如上所述的方法。

本发明的另一目的是，进一步提供一种计算机设备，用于实现复合材料加固带缺陷管道的极限承载力的计算，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器处理执行所述计算机程序实现如上所述方法的步骤。

本发明的优点及有益效果：本发明可实现复合材料加固带缺陷管道的极限承载力的计算，进行复合材料加固带缺陷管道加固效果和强度的验证和校核。具有有效提高极限内压承载力计算的精度，并且方法简单，可操作性强的优点。

附图说明

图1为本发明的一种预应力复合材料加固缺陷管的极限承载力预测方法流程图。

图2为本发明复合材料加固缺陷管道受内压的示意图一；

图3为本发明复合材料加固缺陷管道受内压的示意图二；

图4为本发明预测装置的结构方框示意图；

图5为本发明计算机设备的结构方框示意图；

图中标记说明：1、非穿透型缺陷，2、钢管道，3、碳纤维复合材料，21：预测装置；22：数据获取模块；2-3数据处理模块；31：计算机设备；32：处理器；33：存储器；34：计算机程序。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好的理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种预应力复合材料加固缺陷管的极限承载力预测方法，包括以下步骤：

步骤1：如图2-3所示，其为管道受内压示意图，依据管道、填充材料以及复合材料径向位移相等以及径向位移与环向应变的关系，以复合材料应变等于断裂伸长率时的内压为极限承载力，管道、填充材料以及复合材料的环向应变满足等式：

ε

式(1)中的ε

步骤2：当复合材料的环向应变等于断裂伸长率时，管道、填充材料以及复合材料的环向应力为：

σ

式(2)中的σ

E

步骤3：依据复合材料加固带缺陷管道在内压作用下的平衡条件，内压P与管道内径D，管道、填充材料以及复合材料应力的关系为：

PD＝2(σ

t

步骤4：将公式(2)带入(3)中，得到复合材料加固带缺陷管道的极限承载力P

步骤5：计算预应力引起的承载力增量：

未加固时，管道的平衡方程：

P

其中P

加固并施加预应力后，管道的平衡方程：

P

其中σ

预应力引起的管道应力增量：

σ

加固后，管道内压增加ΔP后平衡方程：

(P

联立公式(1)与(8)，由ΔP引起的管道应力增量：

当公式(8)与(9)的绝对值相等时，预应力引起的应力增量被内压引起的增量抵消，即此时的ΔP为预应力引起的承载力增量ΔP：

步骤6：将公式(4)中复合材料加固带缺陷管道的极限承载力P

本实施例中塑性阶段的材料硬化常数(K,N)依据材料的真实应力应变曲线拟合获得。本发明选取两例试验数据进行验证，误差分别为1.7％和8.3％，见实施例3和4。

实施例2

如图1所示，本实施例提供一种预应力复合材料加固缺陷管的极限承载力预测方法，包括以下步骤：

步骤1：如图2-3所示，其为管道受内压示意图，依据管道、填充材料以及复合材料径向位移相等以及径向位移与环向应变的关系，以复合材料应变等于断裂伸长率时的内压为极限承载力，管道、填充材料以及复合材料的环向应变满足等式：

ε

式(1)中的ε

步骤2：当复合材料的环向应变等于断裂伸长率时，若管道未屈服，处于弹性阶段，管道、填充材料以及复合材料的环向应力为：

σ

式(2)中的σ

E

步骤3：依据复合材料加固带缺陷管道在内压作用下的平衡条件，内压P与管道内径D，管道、填充材料以及复合材料应力的关系为：

PD＝2(σ

t

步骤4：将公式(2)带入(3)中，得到复合材料加固带缺陷管道的极限承载力P

步骤5：计算预应力引起的承载力增量：

未加固时，管道的平衡方程：

P

其中P

加固并施加预应力后，管道的平衡方程：

P

其中σ

预应力引起的管道应力增量：

σ

加固后，管道内压增加ΔP后平衡方程：

(P

联立公式(1)与(8)，由ΔP引起的管道应力增量：

当公式(8)与(9)的绝对值相等时，预应力引起的应力增量被内压引起的增量抵消，即此时的ΔP为预应力引起的承载力增量ΔP：

步骤6：将公式(4)中复合材料加固带缺陷管道的极限承载力P

实施例3：

E

实施例4：

E

通过有限元分析方法获得了不同预应力引起的承载力增量，与本发明计算方法相比，误差小于3％。

实施例5

同时，如图4所示，本实施例可提供一种复合材料加固带缺陷管道的极限承载力预测装置，所述装置包括：数据获取模块，用于获取管道弹性模量、屈服强度、塑性阶段的材料硬化常数、初始外径、初始内径以及缺陷区域管道的残余厚度，测得填充材料的弹性模量以及厚度，测得复合材料的弹性模量、断裂伸长率以及厚度；数据处理模块，通过对上述数据进行处理。通过实施例1的方法计算得到复合材料加固带缺陷管道的极限承载力。

实施例6

本实施例提供一种计算机可读存储介质，存储又计算机程序，所述可读存储介质存储有上实施例1所述的方法。

实施例7

由如图5所示，本实施例提供一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并能够在处理器上运行的计算机程序，所述处理器处理执行所述计算机程序实现实施例1的所述方法的步骤。

本发明以复合材料达到极限抗拉强度为准则，通过幂指数硬化模型考虑管道塑性阶段的性能，判别管道是否发生屈服，考虑管道、填充材料以及复合材料之间的径向位移相等，根据管道的力学平衡条件计算推导内压爆破压力。本发明有效提高计算精度，且可操作性强，从而实现复合材料加固带缺陷管道的极限承载力的计算，以进行复合材料加固带缺陷管道的评价与验证。