深海玻纤增强柔性管截面结构设计及强度分析

在深海石油开采中,使用传统的钢制管道作为海底管道和立管,存在耐腐蚀性差、重量大以及柔性小等不足。热塑性玻纤增强柔性管具有重量轻、强度高、柔性好以及耐腐蚀性强等优点,逐步成为海洋管道发展的趋势。针对南海500 m海深油井使用玻纤增强柔性管进行增强层截面结构设计,依据DNVGL-RP-F119规范和美国船级社相关规范,针对柔性管增强层缠绕角度及缠绕层数,依据经验建立±30°~±75°缠绕角度和20层~40层缠绕层数的组合模型。利用ABAQUS有限元软件进行30 MPa内压、60 t拉力和5 MPa外压三种载荷工况下的强度分析,得到满足上述载荷工况的最优缠绕角度为±60°;再进行90MPa爆破压力及拉伸与外压组合工况下的强度校核,最后得到能够满足技术指标要求的增强层最优缠绕角度为±60°和最少缠绕层数为36层。     

基于失效模式的深海玻纤增强柔性管截面设计

针对深海油气输送所使用的钢制管道存在耐腐蚀性差、质量大以及柔性小的不足,设计了具有耐腐蚀性强、质量轻、强度高、柔性好等优点的热塑性玻璃纤维(玻纤)增强聚乙烯柔性管,基于海深500 m油井油气输送用玻纤增强柔性管道中的抗压和抗拉增强层截面结构设计要求,通过有限元方法进行了多角度玻纤缠绕设计。结合DNVGL–RP–F119规范和美国船级社相关规范,首先根据柔性管受载工况进行了抗压层和抗拉层缠绕角度的设计,然后通过对抗压层、抗拉层在30 MPa内压、5 MPa外压和588 000 N拉力3种典型工况下的厚度试算以及90 MPa爆破压力校核,最终获得能够满足柔性管技术设计指标要求的增强层厚度为11.6 mm(90°玻纤缠绕抗压层8 mm,+30°玻纤缠绕抗拉层1.8 mm,–30°玻纤缠绕抗拉层1.8 mm)。与传统柔性管使用的单一缠绕角度设计方法相比,所设计的玻纤增强柔性管不需要经过多个工况强度校核进行大量缠绕角度和缠绕厚度试算以确定多种工况下的增强层最优缠绕角度和最少缠绕层数,因此计算量小、设计效率高。     

连续玻璃纤维增强层合片材制备及力学性能研究

采用模压工艺制备连续玻璃纤维增强混编纱层合片材及纤维呈0°、30°、45°、90°排布的连续玻纤增强层合片材。研究了热压温度、保压时间及热压压力对层合片材尺寸及力学性能的影响,确定最优的制备工艺;并分析讨论了片材层数及纤维排布角度对连续玻纤增强层合片材的拉伸、弯曲性能的影响;同时根据冲击试验结果分析了垂直与平行受力方向的增强纤维的不同的承载作用。实验研究表明,层合片材的拉伸、弯曲性能先随层数的增加而升高,但到达一定层数后,其力学性能随层数的增加而降低。且层合片材的拉伸性能随排布角度的增加而降低,而其弯曲强度却随之增加而升高。垂直和平行于冲击载荷的纤维皆能吸收冲击能量,其中垂直方向纤维承载能力更强。     

钢丝缠绕液压胶管设计优化有限元分析

钢丝缠绕胶管的爆破压力、轴向变形和径向变形与钢丝缠绕角度密切相关,目前的研究和工程实践中主要是基于压力容器薄膜应力理论和经验公式对四层排布角度相同或者相近的软管进行分析和设计。但是由于薄膜理论的假设建立在胶管小变形和材料各向同性的假设条件下,而由于各层钢丝在受力后,会发生耦合作用,工程上已发现四层角度相同的设计,无论在受力,还是轴向位移都不是最佳方案,不能满足优化的目的。因此,本文使用有限元的分析方法,对四层缠绕胶管的排布角度进行独立优化,发现四层钢丝缠绕胶管每层角度的变化对其本层和其他三层的应力分布均有影响,并且有一定的规律性。利用这一规律,可以实现对钢丝缠绕胶管排布角度的优化,使爆破压力和变形都达到符合使用要求的结果。本文分析的结果被证明和工程试验结果有很好的相关性。     

VARTM工艺铺层取向对复合材料力学性能的影响

采用真空辅助树脂传递模塑(VARTM)工艺制作了玻璃纤维增强不饱和聚酯复合材料层合板,对其进行了拉伸、弯曲、冲击性能测试,并对铺层取向与玻璃纤维复合材料层合板力学性能的影响关系进行了实验研究。实验结果表明,0°取向玻纤增强复合材料在单一方向上的力学性能最佳,±θ取向比θ取向玻纤增强复合材料有更好的力学性能;θ单向铺层复合材料在外载荷作用下发生破坏,其断口破坏的角度与铺层角度一致,而在±θ多向铺层复合材料的断口形貌更复杂。通过合理的铺层设计可获得满足工程需要的复合材料制品。     

采用真空成型法评价缠绕用玻璃纤维的性能

介绍了采用玻纤单向织物模拟玻璃纤维内压容器缠绕工艺进行铺层的真空辅助成型试验;进行了该试验所制得的玻璃钢层压板不同方向的力学性能测试,获得了与玻璃钢管道力学性能测试相对应的测试数据。结果表明,该创新性测试方法可以真实表征连续玻璃纤维在热固性复合材料应用中的力学性能,并可以应用在缠绕用玻璃纤维的开发、质量控制,以及采用单螺旋缠绕的玻璃钢压力容器的设计当中。     

连续玻璃纤维增强PE复合管新型接头的设计

以连续玻璃纤维(GF)增强聚乙烯(PE)复合管为研究对象，设计了一种适用于复合管道的新型非金属管道接头，该接头采用对焊和热熔缠绕的方式对管道进行连接，通过理论公式计算了管道接头处的接头厚度和GF带缠绕长度。建立了内压载荷下管道接头的有限元模型，对接头处的受力和流体流动情况进行模拟分析。模拟结果表明，GF带与管端接触的截面受力最大，最大应力出现在增强层。管道接头处的最大应力为环向应力，除最外层外，管道接头处各层受力由内向外呈现递减趋势。接头等通径的设计能够有效避免接头处物料粘结和应力集中的发生。对新型管道接头进行静液压实验，验证了管道接头的安全性与可靠性。     

复合材料螺旋缠绕圆筒壳轴向压缩性能有限元分析

本文利用ANSYS有限元软件建立了带有和不带有端部加强层的复合材料螺旋缠绕圆筒壳有限元模型,分析了在一定的压缩载荷和不同缠绕角度下这两种圆筒壳的轴压模量,研究了带有端部加强层圆筒壳的径向位移和层间剪应力分布规律并预测了其破坏形式。     

基于遗传算法的不等开口复合材料壳体缠绕角优化设计方法

针对内压作用下的不等开口复合材料壳体,基于精英保留策略遗传算法,建立了复合材料壳体螺旋层缠绕角的优化设计方法。采用四阶龙格库塔法求解非测地线缠绕方程,得到了左右封头的纤维在筒身能够平滑过渡的缠绕角范围。使用基于Abaqus的插件Wound Composite Modeler(WCM)建立二维轴对称壳体模型,优化算法使用Python语言编写,搭建了Python脚本与Abaqus之间的信息传递桥梁。对设计爆压为20MPa的壳体进行了缠绕角优化设计。结果表明,在20MPa载荷下,优化后的壳体比优化前的壳体纤维方向最大应力降低了2.9%,同时爆破压力提升了4.8%。本文的优化方法可以用于复合材料壳体缠绕角优化设计。     

西橡总厂新型钢丝缠绕胶管通过鉴定

由西北橡胶总厂自主开发、研制的特种钢丝缠绕胶管，于２００３年１月１２日顺利通过陕西省科技厅组织的技术鉴定。该产品是由内胶层、纤维编织层、中胶层、钢丝缠绕层和外胶层组成，其优异的超高压液压传递性可广泛应用于石油勘探、钻井、煤矿、机械等作业。鉴定委员会一致认为：钢丝缠绕胶管胶料配方设计科学合理，缠绕结构采用大配合角度设计技术，使钢丝强度得到充分应用，爆破压力高于传统平衡角度的设计能力；石油钻探胶管各项技术指标达到ISO６８０７—１９８４国际标准要求，钢丝缠绕胶管爆破压力指标超过GB１０５４４—８９标准…     

Fatigue damage in composite cylinders

In this study, optimal angle‐ply orientation of symmetric composite cylinders under fatigue loading is investigated. The fiber‐reinforced plastic cylinders were manufactured from E‐glass/epoxy. The layers were manufactured symmetrically in [±75°]₂, [±60°]₂, [±55°]₂, and [±45°]₂ orientations. Burst pressure of filament‐wound composite cylinders under alternating pure internal pressure was measured experimentally. Internal fatigue pressure testing method was applied to the composite cylinders in close‐ended condition. For this study, a PLC controlled hydraulic pressure testing machine has been employed. The static burst pressure values of specimens were measured; subsequently, fatigue test pressure was applied in 70, 60, and 50% stress levels of burst pressure for each orientation. Damage propagations of the composite cylinders on these stress levels were observed as whitening, leakage, and final failure for [±60°]₂, [±55°]₂, and orientations. When the damage propagation of [±75°]₂ angle‐ply cylinder was observed, whitening and leakage did not occur and final failure occurred suddenly. Stress‐cycle curves obtained from the tests are given in graphics. Experimental results reveal that variation in stress levels and the winding angles have considerable effects on final failure cycles, which is also presented graphically. The optimum winding angle for the composite pressure cylinders or vessels under internal fatigue pressure load was obtained as [±45°]₂ orientation. POLYM. COMPOS., 2010. © 2009 Society of Plastics Engineers     

固体发动机纤维缠绕壳体的成型工艺设计及试验

采用网格理论对缠绕壳体进行了工艺参数的设计计算,计算出缠绕工艺参数,结合微机控制缠绕软件编制程序,提出了强度设计、线型控制、变形校核三位一体的设计思想,确定了缠绕工艺设计的内容、计算方法及所需和所应产生的参数结构,对包络线轨迹进行平滑处理,控制缠绕线型,用实验进行壳体筒身段的强度设计和变形(强度)校核,结果表明理论分析与实验结果能够较好地相互吻合,壳体的爆破压强误差较小,其值小于5%.     

复合材料气瓶有限元应力应变分析

本文利用ANSYS大型有限元程序建立了复合材料气瓶（金属内衬）的有限元模型,建模中将纤维缠绕层作为复合材料层合板处理,考虑了封头处缠绕层厚度及缠绕角沿子午线不断变化的情况。针对建立的模型进行了气瓶在几个工况点下的变形分析,通过在30MPa压力、45MPa压力下的位移分析和试验测量对比,分析和试验结果分别为6．25MPa和5．86MPa、8．48MPa和7．69MPa,误差分别为9．3％、9．O％,均在10％以内。利用最大应变准则预测了气瓶的爆破压力约为66MPa。两次爆破试验中,测得的爆破压力分别为65MPa和68MPa。结果表明,建模与分析方法县诈确的．     

FWRP压力容器的可靠性设计研究

纤维缠绕聚合物基复合材料(FWRP)压力容器在航空航天及民用领域的应用是当前研究热点。减轻结构重量对于性能和成本都具有非常重要意义。为实现FWRP压力容器结构设计和安全评定的高目标,引入可靠性理论,应用统计学原理,基于应力-强度干涉模型,以同一失效概率为标准进行FWRP压力容器结构设计,以取代现应用的传统安全系数法设计。采用无碱无捻玻璃纤维-环氧树脂材料体系,应用同一缠绕工艺制备8个压力容器。试验得到纤维强度、缠绕角、几何尺寸、爆破压力等随机变量特征值。其结构可靠性设计值(纤维缠绕壁厚)与试验结果基本吻合,并显著小于常规设计值。将各设计变量随机分布特征值与压力容器结构设计相结合,实现安全与经济的有效统一,为可靠性设计在FWRP压力容器上的应用与发展提供了依据。     

薄壁钢内衬CF圆筒承压性能仿真及水压爆破试验

针对含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒典型结构,建立三维有限元模型,采用温度参数法逐层计算内衬剩余应力,并预测其承压性能;基于水压爆破试验,研究了多缠绕角下缠绕张力、不同碳纤维等级对钢内衬及复合材料圆筒承压能力的影响,并结合钢内衬的声发射振铃计数特征判别载荷屈服点。试验结果表明,含薄壁钢内衬的碳纤维缠绕圆筒的最佳缠绕张力为75 N左右,T700,T300两种强度碳纤维复合圆管的钢内衬最大屈服载荷基本相同。     

纤维缠绕复合材料压力容器CAD/CAE/CAM一体化研究

本文用APDL参数设计语言编制的程序可同时进行压力容器缠绕过程的动态仿真模拟及应力分析,可将实际缠绕参数直接用于应力分析,分析后得到的仿真数据可直接用于数控缠绕机进行生产,实现了纤维缠绕复合材料压力容器CAD/CAE/CAM一体化.本文用微分几何理论推导出纤维缠绕复合材料压力容器的非测地线缠绕轨迹、包角方程及绕丝头运动方程.在应力分析过程中考虑了几何非线性和物理非线性.采用叠层的增量本构关系,以分段线性表示单层非线性应力-应变曲线,对损伤后引起的刚度降低进行了实验研究,实验特别研究了面内剪切破坏和层间剪切破坏对纵向弯曲刚度的影响.结果表明纤维缠绕复合材料压力容器损伤后,弯曲刚度的降低是影响轴向变形的重要因素.     

混凝土结构用纤维增强塑料筋的力学性能Ⅰ.实验研究

纤维增强塑料筋的较差延伸性及其脆断的破坏模式是从材料性能上阻碍其替代传统的钢筋而广泛应用于混凝土结构中的一个主要原因.本文以解决这个问题为目标,提出了一种简单的成型方法:即在纤维拉挤芯材的外面按一定角度缠绕一定层数的纤维,制成新的FRP缠绕筋.这种FRP缠绕筋的拉伸性能呈明显的双线性,即应力在通过名义屈服点后,继续按线性规律随应变的增加而增加,直至应变达到极限.极限强度和应变都高于屈服点的应力和应变.本文还考察了纤维缠绕角度和缠绕层数对FRP筋拉伸性能的影响 .