高压玻璃钢管成型工艺及失效预测研究

摘要

高压玻璃钢管具有比强度高、比刚度高、耐高压、耐腐蚀、使用寿命长且易实现机械化、自动化等一系列优点，在石油、化工和海洋等领域得到越来越广泛的应用，其优异的力学性能和独特的内固化成型工艺一直受到极大的关注，如何实现高压玻璃钢管管体缠绕、固化和力学性能分析一体化是目前急待解决的问题。本文基于这一要求，完成了以下几方面的研究工作:
　　首先，针对高压玻璃钢管体内加热式固化成型的特点，建立了高压玻璃钢管固化过程的二维有限元模型，采用了变性方法来构建导热系数矩阵，开发了有限元代码对高压玻璃钢管的固化过程进行了数值模拟，揭示了沿管体厚度方向的温度和固化度变化规律以及纤维体积比对固化温度产生的影响。数值模拟结果表明:该有限元模型能真实地反应高压玻璃钢管体的固化过程，为科学地制定固化工艺提供理论依据。
　　其次，用微分几何理论推导出高压玻璃钢管体缠绕成型的非测地线缠绕轨迹、包角方程及绕丝头运动方程，用有限元分析软件ANSYS中的APDL参数化设计语言编制的程序可进行缠绕过程的动态仿真数值模拟，得到的数据可直接用于两轴数控缠绕机进行缠绕。在计算过程中，比较了经典的微分几何方法和工程中常用的平面假设理论得到的芯模中心转角的差异，结果表明:按微分几何得到的线型与测地线接近，能更好地发挥纤维的力学性能，该方法可大大提高高压玻璃钢管体的结构效率。
　　第三，进行了三个部分的试验研究工作，(1)对4种不同纤维体积含量的单向板进行了纵向拉伸和压缩强度、纵向拉伸模量、横向拉伸和压缩强度、横向拉伸模量、泊松比、面内剪切强度和剪切模量等力学性能参数的测试，根据试验结果求取了各力学参数的回归方程;(2)对2种工作压力分别为8.6MPa和15.5MPa的高压玻璃钢管体进行了失效压力测试试验;(3)对高压玻璃钢管体的纤维体积含量进行了整体测试和分层测试，为高压玻璃钢管失效强度的数值预测及分析提供了充分的试验参考依据。
　　最后，针对高压玻璃钢管体材料的力学性能分布不均匀的特点，根据蔡-吴(Tsai-wu)失效准则，采用常规失效分析方法和逐步失效分析方法，借助于通用有限元软件ANSYS的APDL参数化设计语言，编程模拟2种不同压力等级的管体层合板在加载过程中的失效强度并将预测结果同试验结果进行对比，结果表明:(1)高压玻璃钢管体的逐渐失效过程是由管体外层向内层逐层进行的，内层的富树脂层相当于弹性体，可产生比较大的变形量，能承受更大的内压力;(2)常规失效分析，由于只考虑了管体最内层失效的压力，忽视了其它各层失效后的剩余刚度，其预测值均低于实测失效压力的平均值，8.6MPa管体和15.5MPa管体预测误差分别为为5.5％和6.5％，偏于保守。(3)逐渐失效分析则充分考虑了各层板失效后的剩余刚度，其预测值高于实测失效压力的平均值，8.6MPa管体和15.5MPa管体预测误差分别为2.9％和2.0％，更为合理。(4)高压玻璃钢管体层板的最终失效不是由纤维断裂导致的，而是由于树脂基体的失效引起的，这一点充分说明了高压玻璃钢管的内固化工艺在管体内表面形成的富树脂层大大提高管体的承载能力。
　　本项目的研究，不仅为高压玻璃钢管管体的缠绕、固化和力学性能的设计和分析提供理论依据和试验基础，同时也为其它玻璃纤维/环氧复合材料制品的设计和制造提供宝贵的资料，具有很大的实用参考价值。

目录

摘要

1 绪论

1．1 课题的学术背景及研究的目的和意义

1．1．1 课题的学术背景

1．1．2 课题研究的目的和意义

1．2 纤维缠绕技术概况

1．3 纤维缠绕技术简介

1．4 纤维缠绕技术的国内外发展现状

1．4．1 纤维缠绕技术的国外发展现状

1．4．2 纤维缠绕技术的国内发展现状

1．5 国内外高压玻璃钢管道生产技术的发展现状

1．6 纤维缠绕复合材料固化模拟的国内外研究现状

1．6．1 纤维缠绕复合材料固化模拟的国外研究现状

1．6．2 纤维缠绕复合材料固化模拟的国内研究现状

1．7 纤维缠绕复合材料损伤及失效预测的国内外研究现状

1．8 论文的主要研究内容

2 高压玻璃钢管内固化成型工艺研究

2．1 引言

2．2 高压玻璃钢管内固化的二维有限元建模

2．2．1 纤维复合材料层板中的热传递控制方程

2．2．2 热传递控制方程的有限元近似

2．2．3 时间积分

2．2．4 缠绕角的影响

2．3 环氧树脂固化反应动力学模型

2．4 高压玻璃钢管固化过程中的热-化学机理

2．4．1 高压玻璃钢管体固化过程中的热-化学反应

2．4．2 高压玻璃钢管体固化过程中的几点假设

2．5 算法验证

2．6 高压玻璃钢管的固化过程数值模拟

2．6．1 高压玻璃钢管材料参数及初始条件

2．6．2 高压玻璃钢管的固化制度

2．6．3 高压玻璃钢管道壁厚的影响

2．6．4 高压玻璃钢管道纤维体积含量的影响

2．7 本章小结

3 高压玻璃钢管纤维缠绕运动轨迹规划

3．1 曲面上测地线轨迹

3．1．1 回转曲面上的测地线方程

3．1．2 圆柱面上的测地线方程

3．1．3 椭球曲面上的短程线

3．1．4 测地线方程约束条件

3．1．5 测地线方程数值解

3．2 丝嘴运动轨迹

3．2．1 圆柱体变螺距非线性缠绕和等螺距线性缠绕时丝嘴运动公式

3．2．2 包络面方程

3．2．3 绕丝头空间轨迹

3．3 测地线方程与平面假设两种算法比较

3．4 实际缠绕轨迹

3．5 本章小结

4 纤维复合材料力学及逐渐失效分析方法

4．1 概述

4．2 弹性本构方程

4．3 纤维复合材料的微观力学性能

4．4 单向板的微观力学行为

4．4．1 正交各向异性材料中面内的应力．应变关系

4．4．2 单向板在任意方向的应力-应变关系

4．5 层合板的宏观力学行为

4．5．1 经典层合理论

4．5．2 单向板的应力——应变性能

4．5．3 层合板的应变和应力变化

4．5．4 层合板的合力和合力矩

4．6 失效准则

4．6．1 最大应力准则

4．6．2 最大应变准则

4．6．3 Tsai-Wu(蔡-吴)失效准则

4．6．4 蔡——希尔(Tsai-Hill)强度准则和霍夫曼(Hoffman)强度准则

4．7 材料性能退化模型

4．7．1 突然退化模型

4．7．2 逐渐退化模型

4．8 本章小结

5 纤维复合材料单向板及管体工艺参数的试验研究

5．1 引言

5．2 试验准备

5．2．1 主要原材料

5．2．2 试样的制备

5．2．3 试样尺寸

5．3 试验方案

5．3．1 单向板性能试验

5．3．2 失效压力测定试验

5．3．3 高压玻璃钢管纤维体积含量的测定试验

5．3．4 环氧树脂浇铸体力学性能的测定试验

5．4 单向板性能试验结果

5．4．1 纵向(0°方向)拉伸性能

5．4．2 纵向(0°方向)压缩性能

5．4．3 横向(90°方向)拉伸性能

5．4．4 横向(90°方向)压缩性能

5．4．5 面内剪切性能

5．5 不同纤维体积含量单向板力学参数回归方程求解

5．6 高压玻璃钢管失效压力测试

5．7 高压玻璃钢管纤维体积含量的测定

5．7．1 高压玻璃钢管体分层纤维体积含量的测定

5．7．2 高压玻璃钢管整体纤维体积含量的测定

5．8 环氧树脂浇铸体力学性能参数的测定

5．9 本章小结

6 高压玻璃钢管失效强度的数值预测及分析

6．1 失效准则和逐渐失效分析模型的选择

6．1．1 失效准则的选择

6．1．2 失效预测的基本假设

6．1．3 逐渐失效分析模型

6．2 高压玻璃钢管失效强度预测方法

6．2．1 高压玻璃钢管常规失效强度预测方法

6．2．2 高压玻璃钢管逐步失效强度预测方法

6．3 高压玻璃钢管极限强度的数值预测方法

6．3．1 ANSYS分析单元的选择

6．3．2 ANSYS参数化分析工具APDL

6．4 高压玻璃钢管体有限元模型

6．5 高压玻璃钢管失效预测及分析

6．5．1 8．6MPa管体常规失效压力预测结果

6．5．2 8．6MPa管体逐渐失效压力预测结果

6．5．3 15．5MPa管体常规失效压力预测结果

6．5．4 15．5MPa管体逐渐失效压力预测结果

6．6 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

致谢

个人简历

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