基于有限元分析的玻璃钢夹砂管道的强度分析与优化设计

摘要

玻璃纤维增强塑料夹砂管（简称FRPM管）作为新型复合材料管道的一种，具有优良的物理化学特性。它是由高性能的不饱和聚酯树脂作为基体，以玻璃纤维螺旋缠绕形成的网状结构作为增强体，并在中间填充石英砂颗粒材料。这种独特的夹层结构不仅使 FRPM管具有较高的强度和刚度，还大幅度降低了生产成本。FRPM管力学性能优异，在给水排水、能源运输等市政工程方面发挥着重要作用。
　　目前，我国对FRPM管的力学性能研究大多停留在试验方面，而对其强度模拟以及结构优化设计鲜有文献报道。本文从复合材料力学理论出发，通过力学试验和数值模拟两方面对管道力学性能进行了探讨，最后对FRPM管的结构优化提出了建议，所完成的主要工作如下：
　　（1）对FRPM管的力学性能进行了理论研究。基于层合板理论，探讨了复合材料层合板的强度失效准则及应力-应变关系，并对传统公式进行了适当修改以适用含有夹砂层管道的特殊结构。
　　（2）针对FRPM管，设计了管道轴向拉伸试验以及环刚度试验方案，测定了管道的拉伸强度以及环刚度等力学性能参数。基于有限元分析方法，利用ABAQUS建立了管道的有限元模型，以纤维缠绕角度、铺层顺序以及夹砂层厚度为主要输入变量，根据蔡-吴张量准则来判断各层的面内失效，通过数值模拟得到了管道拉伸强度和环强度，试验值与模拟值吻合较好，说明通过数值模拟研究FRPM管的力学性能具有很强的可行性。
　　（3）完成了对FRPM管的结构优化。根据试验研究、理论计算以及数值模拟，探讨了FRPM管刚度、强度等力学性能的影响因素，对主要影响因素（即铺层顺序、缠绕角度及夹砂层厚度）依次进行了优化，最终得到了FRPM管的最优结构模型。

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第1章 绪论

1.1 纤维缠绕复合管道的研究背景

1.2 纤维缠绕复合管道力学性能分析及优化设计的研究现状

1.3 课题研究的内容、方法及拟采用的技术路线

第2章 玻璃纤维增强塑料夹砂管道材料等效模量的理论研究

2.1 单层纤维缠绕复合材料理论

2.2 多层纤维缠绕层合板理论

第3章 玻璃纤维增强塑料夹砂管道力学性能的试验研究

3.1 试验设备介绍

3.2 初始拉伸强力试验

3.3 初始环刚度试验

3.4 本章小结

第4章 基于有限元分析的玻璃纤维增强塑料夹砂管道的强度预测

4.1 ABAQUS在复合材料力学分析上的应用

4.2 玻璃纤维增强塑料夹砂管拉伸强度的预测

4.3 玻璃纤维增强塑料夹砂管管刚度的预测

4.4 本章小结

第5章 玻璃纤维增强塑料夹砂管道的结构优化

5.1 复合材料结构优化设计简介

5.2 玻璃纤维增强塑料夹砂管道有限元模型及设计变量变量

5.3 设计变量对管道力学性能的影响

5.4 本章小结

第6章 结论与展望

6.1 全文总结

6.2 研究展望

致谢

参考文献