内压作用下FRP/钢复合管承载力分析与试验研究

摘要

现今为了满足日益增长的大输送量，输油气管道面临着高压、大口径、远距离运输等工程需求。对于压力管道材料、结构提出了更高的要求，包括更好的受力性、稳定性、耐久性以及考虑其经济性。根据压力管道的特点，既要满足一定的强度、塑性、良好的焊接性与控制裂缝开展的能力，还要保证管道在复杂环境中的防腐性能。纤维复合材料的轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳和易于施工等优点恰好能够弥补单一金属管道的不足。单一的材料无法实现的情况之下，通过材料匹配的复合材料或者复合结构往往能达到这样的目的。目前，非金属管道的研发种类较多，但通过在钢管外壁缠绕纤维复合材料增强钢管形成的纤维复合钢管是有效、便捷且较为经济的解决方式。本文在复合材料相关理论知识与试验研究的基础上，通过复合管道内压试验研究复合管道在内压作用下的破坏模式以及影响因素，进而确定FRP/钢复合管道承载力模型计算公式，为FRP/钢复合管道的设计与计算提供一定的参考。　　在总结国内外目前油气管道运输上存在的问题以及复合管道的相关研究进展的基础上，本文对FRP/钢复合材料力学性能影响较大的因素进行整理与理论分析。在基于试验的基础上，建立了关于纤维体积含量、钢体积含量与铺设角度变化相关的宏观单轴拉伸本构模型。由于在管道内压作用下，管道主要是处于环向拉伸的状态，故基于本构模型便可以建立FRP/钢复合管道的在内压作用下承载力计算模型，最后将管道试验结果与理论结果进行对比验证。　　现阶段对于复合材料管道的设计运用有限元计算也是许多设计者普遍考虑的方式之一，基于纤维复合材料加固钢管的相关有限元模型，考虑FRP/钢复合材料的本构方程运用到有限元计算中，省去由于纤维材料属性所带来的建模繁琐的程序，将试验结果与数值计算的结果相对比，验证了FRP/钢复合材料本构模型在数值计算中在一定范围内的精确性。

目录

1绪论

1.1研究背景

1.2 国内外研究现状

1.2.1 FRP/钢复合材料拉伸力学性能的研究现状

1.2.2 FRP/钢复合管道研究现状

1.3本文研究工作

2 CFRP/钢复合板材单轴拉伸力学性能研究

2.1引言

2.2.1试验材料

2.2.2试件制作及加载

2.3.1破坏模式

2.3.2 钢与CFRP协同受力分析

2.3.3 CFRP/钢复合材料拉伸力学性能影响因素

2.4本章小结

3 FRP/钢复合材料拉伸本构模型建立

3.1 前言

3.2.1 FRP/钢复合板材弹性模量预测

3.2.2 FRP/钢复合板材宏观拉伸应力-应变模型

3.3试验值与理论值的对比

1）CFRP/钢复合板材承载力分析

2）试件拉伸试验与理论应力-应变曲线对比分析

3.4本章小结

4 内压作用下CFRP/钢复合管试验研究

4.1引言

4.2复合管道内压承载力计算

4.3.1试验材料

4.3.2试验概况

4.3.3试验结果分析

4.4本章小结

5 CFRP/钢复合管道承载力数值分析

5.1引言

5.2有限元分析计算

5.2.1采用复合本构有限元模型

5.2.2采用界面摩擦接触有限元模型

5.3有限元模型对比分析

5.4本章小结

6 结论与展望

6.1 结论

6.2 展望

致谢

参考文献

攻读学位期间取得的研究成果