钢丝缠绕增强复合管的外压研究.pdf

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1、低温建筑技术2015年第lO期(总第208期)DOI：10．13905／j．cnki．dwjz．2015．10．022钢丝缠绕增强复合管的外压研究熊海超，白勇，周发学(1．浙江大学建筑工程学院结构工程研究所，杭州310058；2．宝鸡石油机械有限责任公司，陕西宝鸡721002)【摘要】钢丝缠绕增强复合管(简称PSP)是一种性能优良的热塑性复合管道。它由高密度聚乙烯(HDPE)基体层和螺旋缠绕钢丝加强层组成。理论分析中基于BaiYong等的二维壳模型，考虑一阶剪切变形、平均壁厚修正和初始缺陷的影响，结合Halpin—Tsai模型对

2、加强层进行简化处理，提出了管道在静水外压的屈曲理论。得到PSP复合管道的外压一椭圆度曲线。为了验证理论分析的正确性，采用ABAQUS有限元软件建立嵌入钢丝的管道外压模型，发现两种方法的结果吻合良好，验证了理论分析的正确性。通过在压力缸内泵水的方式对管道施加均布静水外压，测得管道发生局部屈曲的压力峰值，并与理论，有限元对比，发现三者吻合良好。【关键词】钢丝缠绕；复合管I夕压失稳；理论模型；ABAQUS-夕压试验【中图分类号】TU33【文献标识码】B【文章编号】1001—6864【2015)10—0054—030引言表1管道几何及物

3、理参数PSP内外层为高密度聚乙烯，加强层为以一定角度正反错绕成型的钢丝网状骨架与由热塑性材料构成的基体紧密结合构成的复合结构。由于材质原因，PSP管在外压作用下更容易出现屈曲失稳问题。朱彦聪等⋯依据Donnell的扁壳理论求解PSP管在外压下的弹性屈曲荷载。Adomandi等对管中管结构在静水压力作用下的弹性屈曲进行了理论和有限元研究，1．3外压应变分析及初始缺陷在有限元模型中设定层与层的接触为完美粘结无滑图1所示为管道在外压荷载下的截面产生的椭圆移，而对于有滑移的非粘结层通过两点约束来实现。形变形，建立一个极坐标系以描述截面的

4、变形，管道他们又通过大量的有限元计算来分析复合管外压初始截面的中心点即为坐标系原点。t为管道各层总的承载能力，并在此基础上提出了适合于复合管在外壁厚；R为管道初始截面平均半径；Z为截面上任一点压作用下的简化公式。BaiYong等基于二维环理到截面中线(左侧虚线)的距离；W，分别表示为受外论，并考虑剪切变形的影响，研究纤维增强管道管道压变形过程中任意一点的径向位移和环向位移；表初始椭圆化对外压失稳的影响。龚顺风等基于非示截面任意一点到中性面的垂直距离。线性环理论，研究了深水管道在外压作用下的失稳屈曲理论。本文基于BaiYong等的

5、二维壳模型，考虑管道受外压时的剪切变形，并结合Halpin—Tsai模型对加强层进行简化，对管道进行外压力学性能分析，点2采用ABAQUS建立有限元模型，将计算结果与理论进行分析对比。最后通过试验得到压力峰值，并与理论，有限元对比，发现三者吻合良好。1理论分析1．1基本假设图1管道截面在外压作用下的变形示意图(1)每层的变形保持均匀连续，层与层在受力过程中始终接触良好无滑移。由于复合管包含内层，外层，复合层，造成壁厚较(2)钢丝和HDPE均为小变形，无初始应力。大，径厚比较小，故不可忽略剪切变形对外压承载能(3)钢丝与粘结材料接

6、触良好无滑移。(4)不考虑HDPE材料力学性能与时间的力的影响。计算中剪切应变和8，认为是可以忽略关系。的小量，故将其忽略，不能忽略的分量为轴向应变8，1．2PSP基本参数环向应变。和截面剪切应变s。，如式(1)～(3)熊海超等：钢丝缠绕增强复合管的外压研究55所刁。mand”命令将钢丝线嵌入基体层内以保证钢丝无滑=。+，c(1)移。用耦合约束命令将模型左端面与定义的参考点耦合；同时在右端面施加对称边界约束，以实现外压Goo(。+等)(2)作用下的正确边界条件。对于径厚比较小的复合管=r。(3)道，在外压作用下往往会发生椭圆形失

7、稳变形，因此=(R++z)·cos0一·sin0(4a)在管道一端的上下两点约束其水平位移，左右两点约0束其竖向位移，以保证管道产生纯椭圆变形。模型中8o鬻而+÷(IT)J+÷(I下)J的材料性能与理论相同。外压计算分两个分析步进行，第一步进行模态分／√一()(4c析，由于外压变形主要由第一变形模态控制，故将第管道在生产、安装及使用过程中截面会产生椭圆一分析步得到的第一位移振型乘以一个较小的因子花变形，不均匀壁厚等缺陷。本文考虑初始椭圆率对赋予给完美管道，以达到添加初始缺陷之目的；第二外压影响。椭圆率定义为管道截面最大直径和最小

8、步中，为了得到管道屈曲变形的外压失稳下降段，采直径之差与最大直径和最小直径之和之比。缺陷定用弧长法进行迭代分析。图2，图3分别显示了PSP义如式(5)所示，。(表示径向初始位移。此时截面基体与钢丝的应力云图。的应力、应变为零，环向应变如式(6)所示。W0()：△