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復(fù)合軟管的力學(xué)性能數(shù)值模擬
捷宇石油管道 發(fā)布時間：2017-05-03
一、材料參數(shù)及有限元模型
復(fù)合軟管的整體結(jié)構(gòu)主要采用低碳鋼及PE-HD制成，內(nèi)管、中層包覆、外層包覆均為PE-HD，其彈性模量E=108MPa，泊松比μ=0.4；復(fù)合軟管中，螺旋鋼帶的彈性模量已由本文前述計算得出，即E=0.7×105MPa，泊松比μ=0.3。為減小模擬計算誤差，在建立鋼帶螺旋纏繞增強復(fù)合軟管的整體模型時，嚴格按照該復(fù)合軟管的設(shè)計結(jié)構(gòu)及其外形尺寸 建立，選擇solid186單元作為內(nèi)管、中層包覆、外層包覆模型的單元，選擇shell181單元作為螺旋鋼帶的單元。網(wǎng)格劃分過程中，內(nèi)管、中層包覆、外層包覆采用映射網(wǎng)格劃分；螺旋鋼帶采用自由網(wǎng)格劃分。該有限元模型將用于復(fù)合軟管的單向拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)的力學(xué)性能數(shù)值模擬。
二、復(fù)合軟管單向拉伸數(shù)值模擬及實驗驗證
單向拉伸數(shù)值模擬的邊界條件為了單向拉伸計算結(jié)果的準確性，在施加邊界條件時，盡量選擇與實際情況相一致的邊界條件。
具體做法如下：
(1)考慮軟管各層之間的接觸作用，除上述計算彈性模量時，在各層鋼帶之間加入接觸單元外，在軟管整體結(jié)構(gòu)中的塑料管與鋼帶之間也引入了面面接觸單元，目標面為TARGE170單元，接觸面為CONTA174單元。并綜合考慮單元厚度、時間步長、法向接觸剛度以及接觸容差因子等因素對計算結(jié)果的影響，選擇出一組 為合理的參數(shù)組合；
(2)為了模擬軟管的固定情況，將模型一端所有節(jié)點的自由度全部約束；
(3)在模型的另一端施加沿軸線方向的均布載荷。采用分步加載的方式進行加載。
三、單向拉伸模擬結(jié)果分析及驗證
為選取復(fù)合軟管內(nèi)部各層中間位置截面全載荷步的變形響應(yīng)曲線。復(fù)合軟管在單向拉伸載荷作用下，其內(nèi)部各層的變形響應(yīng)趨勢基本一致，符合單向拉伸的變形規(guī)律；由PE-HD制成的內(nèi)管(HDPElayer1)、中層包覆(HDPElayer2)和外層包覆(HDPElayer3)的變形比由多層鋼帶螺旋纏繞制成的螺旋鋼帶(Steeli1～i6)及(Steelii1～ii2)的變形小，這說明復(fù)合軟管內(nèi)部各層所使用的材料不同會導(dǎo)致其抗拉剛度有所差異；此外同種材料制成的不同層之間的變形也有所不同，如：同為PE-HD的內(nèi)管、中層包覆、外層包覆，橫截面積較小的內(nèi)管變形較大；而橫截面積較大的外層包覆變形較小。這說明同種材料各層的抗拉剛度還與其橫截面積的大小有關(guān)。為了驗證復(fù)合軟管單向拉伸模擬結(jié)果，選用該型號的復(fù)合軟管進行單向拉伸實驗。使用拉力試驗機對復(fù)合軟管加載，記錄符合軟管端部的變形值。為復(fù)合軟管整體結(jié)構(gòu)的端部模擬計算的載荷—變形曲線與實驗結(jié)果的對比圖。復(fù)合軟管在軸向拉力載荷作用下，變形比較均勻，計算值與實驗值相比其平均誤差僅為4.81%，計算結(jié)果與實驗結(jié)果吻合程度較高，數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果趨勢基本一致。
