纤维缠绕增强复合管外压及组合荷载下的屈曲性能研究

摘要

增强热塑性管(RTP管)是一种纤维缠绕增强复合管，它作为海洋油气管道具有很多突出的优点，推广其海上应用具有重大的现实意义。相对于较为成熟的钢管而言，RTP管在海洋环境下更容易出现屈曲失稳问题，因而目前以陆上使用为主。目前RTP在海洋管道领域的研究尚不深入，其海洋应用还有较大扩展空间。本文的主要内容包括：
　　 (1)RTP管外压实验。通过RTP管静水外压实验得到了其在静水外压下的破坏模式和外压承载力；同时根据国标GB-T1040-2006《塑料拉伸性能的测定》对原材料进行了拉伸实验，得到了原材料PE的性能数据。
　　 (2)RTP管屈曲理论和增强层等效简化。结合非线性环理论，考虑了一阶剪切变形的影响和屈曲前变形影响，提出了管道在静水外压和弯曲外压组合荷载下的屈曲分析理论。结合“回字形”模型对管道截面增强层进行等效处理，给出RTP管增强层的等效方法。
　　 (3)有限元模型建立。通过嵌入Truss单元的实体模型模拟一段RTP管道，建立了RTP管在外压和弯曲外压组合荷载下的屈曲失稳分析模型。分析了管道在上述荷载下的屈曲特性并与理论计算的结果进行对比。
　　 (4)参数分析。通过理论计算对影响RTP外压承载力的参数，如初始缺陷、径厚比、剪切变形、屈曲前变形进行了分析。通过理论计算对影响RTP弯曲外压组合荷载下承载力的参数，如初始曲率、初始静水压力、荷载比例、加载路径进行了分析。
　　 (5)RTP管外压承载力简化计算公式。通过理论计算方法对不同几何尺寸、不同初始缺陷的RTP管进行外压承载力分析，结合现有的聚乙烯管道外压承载力简化计算公式，提出了芳纶纤维缠绕增强RTP管外压承载力的简化计算公式。