手機直線：
咨詢熱線：0571-56211150
纏繞復合材料管道因其高的比剛度、比強度、耐腐蝕、良好的隔熱等性能，在許多工業領域都有廣泛的應用。復合材料還具有性能可設計的優點，通過改變纏繞角度可以適應不同的載荷條件，例如圓柱形薄壁壓力容器受內壓時筒壁內軸向正應力為環向正應力的一半，纏繞角為±55°時可使復合材料受力最合理。李曉芹等、崔昭霞等采用理論和有限元分析模型分析纏繞復合材料管中的應力， Bakaiyan等困采用彈性理論分析纏繞復合材料管在內壓和熱載荷下的應力；伶麗莉等等采用最大應力破壞準則和殼單元，分析纏繞復合材料氣瓶殼體各種損傷模式及損傷后彎曲剛度的降低；UemuraM等建議纏繞層基體破壞時橫向模量和剪切模量的折減系數。本研究采用三維各向異性彈性理論分析內壓和軸向組合載荷下復合材料纏繞管道各纏繞層中的應力，進而用Hashin破壞理論研究幾種纏繞角度下各層的強度包絡線，并研究纏繞角度逐層遞變，以使各層的應力水平接近。
復合材料纏繞管道每個纏繞單層可以視為單向復合材料，本研究采用Hashin準則判斷其失效。順纖維方向的拉伸和壓縮強度準則分別為垂直纖維方向拉伸(或壓縮)應力與面內剪切應力組合時的失效準則，沿纖維方向、垂直纖維方向的正應力和面內剪應力，沿纖維方向的拉、壓強度和面內剪切強度，垂直纖維方向的拉伸和壓縮強度。
某碳纖增強環氧基纏繞復合材料管道，單纏繞層可視為單向復合材料，其彈性參數和強度參數分別見表，取圓管內徑為500mm，每個纏繞層厚0.5mm，纏繞角度分別取為±350、±450、±550，管道施加1MPa的內壓時各纏繞層應力沿厚度方向的分布見圖。由圖中可以發現隨纏繞角度增加，對于每種纏繞角度的管道，管壁中，由里向外明顯增加，略有增加時略有增加外，另兩個角度基本保持不變。在管道軸向施加1MPa軸向應力時，纏繞層中應力隨厚度方向分布見圖。與施加內壓時相反，隨纏繞角度增加，沿管壁由里向外波動，且整體趨向下降，其他兩個應力分量基本維持不變。從上面的應力分析可知，由于相鄰纏繞層間半徑差異引起的拉扭耦合效應會造成纏繞層內的剪應力外層大于內層。圖分別為纏繞角度為35°和55°時的強度包絡線，由于單層纏繞層順纖維向的強度遠遠大于橫向強度，在本文研究的纏繞角度范圍內，管道強度實際上受橫向和面內剪切強度控制。
從圖中可以看出內層的強度包絡線包含外層的，即纏繞管道的強度實際上由外層的受力決定。同時可以發現，適當施加軸向壓力可以提高管道承受內壓的能力。對于厚壁管道，內外層的應力不相等，沿厚度方向由里向外適當增加纏繞角度，可以使內外層的受力更均勻，充分利用每層材料的強度。本研究發現，每一對纏繞層由里向外纏繞角度按如下公式遞增內、外層的強度包絡線可接近。圖為按上式調整了每層纏繞角度后三種管道(最內層±35°、±45°、±55°)最內層和最外層的強度包絡線，調整后它們最外層的強度包絡線擴大至與最內層的接近，軸向載荷為零時，三種纏繞角管道的最大內壓承載能力分別提高了21.12%，25.95%，19.88%。
1)對于纏繞復合材料厚壁管道，由于各纏繞層半徑的差異引入的附加面內剪應力沿厚度方向(從內部向外壁)逐漸增加，造成外層應力大，比內層先破壞。內外層強度包絡線差別明顯，因此管道厚度的影響不可忽略。2)建議一種纏繞角度由里向外遞增的公式，可以使厚壁管道中各纏繞層的應力分布更加趨同，在不增加纏繞層數和不明顯改變管道軸向和周向性能的條件下，顯著增強管道的內壓承載能力。
專業從事機械產品設計│有限元分析│強度分析│結構優化│技術服務與解決方案
杭州那泰科技有限公司
本文出自杭州那泰科技有限公司www.huiz8.com，轉載請注明出處和相關鏈接！