钢丝缠绕增强塑料复合管外压失稳研究

摘要

钢丝缠绕增强塑料复合管(以下简称复合管)是一种以高强度钢丝左右螺旋缠绕成型的网状骨架为增强体,以高密度聚乙烯(HDPE)为基体,并用高性能的粘接树脂层将钢丝网骨架与内外层高密度聚乙烯紧密地连接在一起的新型复合管道.该复合管具有强度高、耐腐蚀、综合性能优异等优点,在石油化工、市政工程、食品医药等领域具有广阔的应用前景. 复合管在埋地、海底和真空工况下,由于外压载荷作用可能发生失稳导致管路失效,因此在强度分析的基础上开展复合管结构稳定性研究具有重要的意义.在温州市科技计划重大项目《钢丝缠绕增强塑料(PE)复合管结构力学模型研究和优化设计软件的开发应用》(G2004034)支持下,本文从理论分析、数值模拟和试验研究三个方面对钢丝缠绕增强塑料复合管的外压稳定性问题进行了较为系统深入的研究.主要研究内容包括: (1)建立复合管临界压力计算方法.将复合管简化为正交各向异性层合壳,采用回字型模型预测复合层弹性常数.根据扁壳理论推导出复合管瞬时失稳临界压力计算公式.分析瞬时失稳临界压力的影响因素,提出提高复合管外压稳定性措施.根据复合材料圆柱壳蠕变屈曲理论,分析复合管蠕变失稳特性,应用对应原理得到持久临界压力估算方法.理论计算结果与试验结果较好吻合,瞬时失稳临界压力计算相对误差范围为-13.7～34.0﹪,表明所建立的计算方法能较好预测钢丝缠绕增强塑料复合管失稳临界压力. (2)建立复合管有限元屈曲分析模型.建立多层正交各向异性层合壳模型,分别采用特征值法和非线性屈曲分析法计算复合管瞬时失稳临界压力,同时考察边界约束和初始缺陷对瞬时失稳临界压力的影响.非线性屈曲分析法比特征值法更加接近工程实际,与试验结果相对误差范围为-5.2﹪～32.0﹪. (3)根据复合管瞬时失稳和蠕变失稳特征,研制外液压试验装置和真空试验装置.利用该装置,可以测试得到不同规格复合管瞬时失稳临界压力、载荷-变形关系曲线、恒定载荷下蠕变变形-时间关系曲线以及蠕变失稳载荷-临界时间关系曲线.

目录

文摘

英文文摘

论文说明：符号说明

第1章绪论

1.1研究背景

1.1.1管道发展概况

1.1.2管道主要种类

1.2研究对象与研究现状

1.2.1钢丝缠绕增强塑料复合管

1.2.2钢丝缠绕增强塑料复合管研究进展

1.3钢丝缠绕增强塑料复合管研究存在的问题

1.4管道稳定性理论综述

1.4.1稳定性的基本概念

1.4.2稳定性准则

1.4.3经典稳定性理论

1.4.4现代稳定性理论

1.5主要研究内容

第2章理论分析

2.1引言

2.2复合管材料参数计算模型

2.2.1弹性常数计算方法

2.2.2假定和模型简化

2.2.3弹性常数计算

2.3瞬时失稳分析

2.3.1屈曲方程

2.3.2复合管临界压力计算

2.3.3复合管稳定性设计

2.4蠕变失稳分析

2.4.1蠕变失稳规律

2.4.2持久临界压力估算

2.5 小结

第3章有限元分析

3.1引言

3.2有限元模型

3.2.1结构与尺寸参数

3.2.2单元选择与实常数

3.2.3边界条件

3.3屈曲分析

3.3.1特征值法

3.3.2非线性屈曲分析

3.4管长与缺陷影响分析

3.4.1管长对稳定性的影响

3.4.2初始缺陷对稳定性的影响

3.5小结

第4章试验研究

4.1引言

4.2失稳试验装置

4.2.1外液压试验装置

4.2.2真空试验装置

4.3瞬时失稳试验

4.3.1瞬时失稳试验原理及步骤

4.3.2载荷—变形关系

4.3.3不同管径复合管临界压力

4.3.4不同公称压力复合管临界压力

4.3.5加强圈增强作用对比试验

4.3.6复合管内充水密闭外压试验

4.4蠕变失稳试验

4.4.1蠕变失稳试验原理及步骤

4.4.2变形—时间关系

4.4.3载荷—临界时间关系

4.4.4蠕变回复及其对强度影响

4.5结果讨论与误差分析

4.5.1理论计算、数值模拟与试验结果比较分析

4.5.2误差分析

4.6小结

第5章总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

致谢

在读期间发表(录用)论文和所获荣誉