復合軟管一般是以加強骨架、合成樹脂黏結(jié)劑和塑料制品經(jīng)過一定的成型方法制作而成的新型管道。目前, 國外一些發(fā)達國家的復合軟管工業(yè)已經(jīng)發(fā)展得相當成熟, 已經(jīng)廣泛應用于化工、石油、城市建設等相關領域。但是由于復合軟管結(jié)構(gòu)的復雜性,導致無法對復雜工作環(huán)境下的復合軟管的力學行為進行精確預測, 復合軟管在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)由于管內(nèi)泄露, 端部脫扣甚至發(fā)生軟管爆裂等質(zhì)量問題。

本文提出了一種利用有限元法計算螺旋鋼帶彈性模量的方法, 解決了用傳統(tǒng)的實驗方法難以確定此類螺旋鋼帶彈性模量的問題?；谏鲜龇椒ㄓ嬎愠龅穆菪搸У膹椥阅Ａ? 對鋼帶纏繞增強塑料復合軟管的單向拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)載荷下的力學性能進行了數(shù)值模擬分析。為了對數(shù)值模擬結(jié)果進行驗證, 分別對復合軟管進行單向拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)實驗。

1. 1   鋼帶纏繞增強塑料復合軟管的結(jié)構(gòu)及相關參數(shù)

鋼帶纏繞增強塑料復合軟管是由某公司研制的一種新型的鋼塑復合軟管。這種復合軟管以高強度鋼帶螺旋纏繞形成增強體, 以高密度聚乙烯( PE- H D) 為基體, 并在鋼帶纏繞時施加預緊力, 使得外圍的鋼帶與內(nèi)部的PE- H D 管緊密地連接在一起。鋼帶纏繞增強塑料復合軟管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)共分為5 層, 包括內(nèi)管、螺旋鋼帶、中層包覆、螺旋鋼帶、外層包覆。

1. 2   螺旋鋼帶彈性模量的確定

由于復合軟管的螺旋鋼帶的厚度小于1mm , 而且采用雙向螺旋纏繞結(jié)構(gòu), 導致其彈性模量低于常規(guī)結(jié)構(gòu)低碳鋼材料的彈性模量。因此, 需要對螺旋鋼帶的彈性模量進行重新確定。由于采用傳統(tǒng)的實驗方法不僅耗時長、成本高, 而且其精度難以得到保證, 因此本文采用耗時較少、成本較低且精度較高的數(shù)值模擬方法。

為了確定螺旋鋼帶的彈性模量, 本文特別設計了一種數(shù)值模擬方法, 其實驗原理如下:

由材料力學可知, 單向拉伸實驗的變形計算公式為：

Ol= Pl

      EA

式中  A — — — 材料的橫截面積, m m2

P — — — 施加的拉力, N

l — — — 模型長度, mm

E — — — 材料的彈性模量, M Pa

Ol — — — 材料的伸長量, mm

由式 可以看出, 彈性模量( E) 越大, 鋼帶的拉伸變形越小。只要測出一定長度( l ) 的鋼帶在軸向力 P 的作用下的伸長量 Ol ( 彈性變形范圍內(nèi)) , 即可計算出鋼帶的彈性模量。

由式 可導出彈性模量計算公式:

E= Pl

      OLA

根據(jù)以上原理, 本文利用有限元計算軟件 ANSYS 對螺旋鋼帶的彈性模量進行數(shù)值模擬計算。其有限元模型長度取 l= 350 mm , 橫截面面積 A = 1580 mm²; 材料為低碳鋼, 其力學性能參數(shù)為 E= 2. 1 × 105 M Pa, 泊松比 E= 0. 3; 采用shell181 單元進行自由網(wǎng)格劃分, 其單元數(shù)為 13808, 節(jié)點數(shù) 36137, 該單元是 4 節(jié)點單元,每個節(jié)點擁有 6 個自由度, 適用于線性、大轉(zhuǎn)動、大應等非線性問題的求解。

由于各層鋼帶之間相互接觸，為了使模擬更加接近實際，提高計算精度，在每一層螺旋鋼帶之間均加入面面接觸單元，其中，目標面為TAGE170單元，接觸面為CONTA174單元。6層螺旋鋼帶共有5個接觸曲面，劃分13203個接觸單元。

1.   復合軟管的力學性能數(shù)值模擬

2.1  材料參數(shù)及有限元模型

復合軟管的整體結(jié)構(gòu)主要采用低碳鋼及 P E- H D 制成, 內(nèi)管、中層包覆、外層包覆均為 P E- H D, 其彈性模量 E= 108 MPa, 泊松比 E= 0. 4; 復合軟管中, 螺旋鋼帶的彈性模量已由本文前述計算得出, 即 E =0. 7 × 10⁵ M Pa, 泊松比 E=  0. 3。為減小模擬計算誤差, 在建立鋼帶螺旋纏繞增強復合軟管的整體模型時, 嚴格按照該復合軟管的設計結(jié)構(gòu)及其外形尺寸精確建立, 選擇solid 186 單元作為內(nèi)管、中層包覆、外層包覆模型的單元, 選擇shell 181 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合軟管的單向拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)的力學性能數(shù)值模擬。

2. 2    復合軟管單向拉伸數(shù)值模擬及實驗驗證

2. 2. 1 單向拉伸數(shù)值模擬的邊界條件

為了保證單向拉伸計算結(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 CON TA 174 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, 選擇出一組最為合理的參數(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。

2. 2. 2     單向拉伸模擬結(jié)果分析及驗證

選取復合軟管內(nèi)部各層中間位置截面全載荷步的變形響應曲線。 復合軟管在單向拉伸載荷作用下, 其內(nèi)部各層的變形響應趨勢基本一致, 符合單向拉伸的變形規(guī)律; 由P E- H D制成的內(nèi)管( H DPE_layer1) 、中層包覆( H DPE_lay er2) 和外層包覆( HDPE_layer3) 的變形比由多層鋼帶螺旋纏繞制成的螺旋鋼帶( Steel_i1~ i6) 及( Steel_ii1~ ii2) 的變形小, 這說明復合軟管內(nèi)部各層所使用的材料不同會導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-H D 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。

為了驗證復合軟管單向拉伸模擬結(jié)果, 選用該型號的復合軟管進行單向拉伸實驗。使用拉力試驗機對復合軟管加載, 記錄符合軟管端部的變形值復合軟管整體結(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。

2.  3    彎曲與扭轉(zhuǎn)數(shù)值模擬結(jié)果分析及實驗驗證

除單向拉伸載荷的數(shù)值模擬之外, 還對模型施加了彎曲及扭轉(zhuǎn)載荷, 其有限元模型的處理方法同上, 鑒于篇幅所限, 僅給出載荷— 變形曲線的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果對比。

 彎曲載荷數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本吻合, 除第二載荷步計算誤差較大以外, 其余載荷步計算誤差均比較小, 數(shù)值模擬結(jié)果和實驗結(jié)果趨勢基本一致。說明本文所采用的數(shù)值模擬方法能夠較好地預測復合軟管在彎曲載荷下的變形情況。

扭轉(zhuǎn)載荷數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的趨勢基本一致, 其中除第 9 至第 18 載荷步的結(jié)果與實驗結(jié)果誤差相對較大外, 其他載荷步的結(jié)果與實驗結(jié)果誤差均較小。這是由于為了保證數(shù)值模擬計算結(jié)果比較容易收斂, 在給定材料的本構(gòu)模型時, 只考慮其線彈性階段的本構(gòu)模型所致。

3.   結(jié)論

( 1) 通過結(jié)果分析以及與實驗結(jié)果的對比, 證明有限元法可以較好地模擬鋼帶纏繞增強塑料復合軟管在單向拉伸, 彎曲及扭轉(zhuǎn)載荷作用下的變形, 并且說明本文所采用的數(shù)值模擬方法能夠較好地預測軟管的變形情況;

( 2) 采用有限元法模擬鋼帶纏繞增強塑料復合軟管單向拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)實驗的精度較高、成本較小, 避免了大量重復性的實驗。