粘结型管接头界面力学性能理论研究

摘要

粘结型的管接头是一种常见和广泛使用的管道连接形式，由于其制造成本低、应力集中小和易于维护，具有非常好的应用前景和潜在经济效益。粘结型接头的破坏多发生于界面当中，需采用断裂力学理论研究管接头的界面力学行为。界面的应力-应变关系是复杂的，而具有软化特性的内聚力模型可以很好地用于表征界面裂纹的开始和扩展，本文采用不同的内聚力模型对不同荷载作用下的管接头界面破坏过程进行研究。 首先，当扭矩作用主管时，采用双线性内聚力模型来表征粘结界面。应用非线性断裂力学的方法，获得了扭矩作用下管接头界面剥离失效过程中界面相对滑移、剪应力分布的表达式以及荷载-位移关系封闭形式的解析解。分析得出在应用双线性模型时，粘结长度对整个界面裂纹扩展、剪应力传播以及剥离失效过程的影响。 其次，扭矩同时作用于主管和套管上时，假设界面本构模型为指数型的内聚力模型，并在指数模型的基础上简化得到线性模型，分别采用两段式和三段式指数软化内聚力模型及其简化的线性模型，对粘结界面的力学行为进行了研究。采用解析法研究了管接头粘结界面的剥离失效过程，确定了粘结长度的不同对破坏过程的影响，获得了界面剥离失效过程中界面相对滑移、剪应力分布的表达式以及荷载-位移关系封闭形式的解析解。 再次，以轴向拉力作用管接头为研究对象，采用刚性-软化内聚力模型来表征粘结界面。应用非线性断裂力学的方法，获得了轴向拉力作用下管接头界面剥离失效过程中界面相对滑移、剪应力分布的表达式以及荷载-位移关系封闭形式的解析解，由此预测出粘结长度对整个界面裂纹扩展、剪应力传播以及剥离失效的影响。同时采用双线性内聚力模型，对粘结界面的力学行为进行了研究，从而更好更全面地了解轴向拉力作用时管接头界面的破坏过程。 然后，在轴向拉力作用管接头模型的基础上，考虑了温度变化对轴向剪应力的影响，粘结界面采用刚性-软化内聚力模型。通过非线性断裂力学研究了粘结界面的失效过程，分析了温度变化对剪应力分布以及荷载-位移曲线的影响。同时采用双线性内聚力模型，对粘结界面的力学行为进行了研究，从而更好地了解温度变化对管接头界面破坏过程中的应力分布和裂纹扩展的影响。 最后，应用有限元软件ABAQUS对理论模型进行分析，采用内聚力单元来模拟粘结层，并用弧长法得到了完整的荷载-位移曲线。有限元的结果同理论结果比对较为吻合，为更好地研究管接头的界面问题提供了一种便捷、可行的方法。 在充分认识粘结型管接头界面力学行为的前提下，采用不同的内聚力模型对界面剥离失效的全过程进行理论分析，有助于加深对管接头界面剥离失效过程中一些关键性问题的理解，希望可以为粘结型管接头的应用提供正确的理论分析基础。

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