為分析管道體積型缺陷屈服前后復(fù)合材料纏繞層分擔(dān)載荷的差異,在材質(zhì)為X60鋼、外徑為508mm、壁厚為8.7mm的管件上預(yù)制深厚比約為70%的體積型缺陷,并進(jìn)行低壓水壓試驗,分析缺陷及完整管壁在彈性階段的應(yīng)力分布特點(diǎn)。采用玻璃纖維復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)管道缺陷再次進(jìn)行試驗,分析試驗壓力上升時,管道缺陷發(fā)生塑性變形的水壓值及應(yīng)變響應(yīng)趨勢;采用水壓試驗結(jié)果驗證有限元模型的準(zhǔn)確性后,應(yīng)用數(shù)值模擬分析管件缺陷屈服前后復(fù)合材料作用的差異。研究表明:對含體積型缺陷的管道,缺陷區(qū)域在內(nèi)壓作用下形成局部彎矩;復(fù)合材料纏繞層可以有效抑制這一彎矩,使彈性階段局部彎矩的最大降幅超過50%,提高了缺陷發(fā)生屈服的壓力;缺陷區(qū)域屈服之后,復(fù)合材料纏繞層分擔(dān)環(huán)向載荷,對缺陷管壁的局部鼓脹具有約束作用,使補(bǔ)強(qiáng)管道沿剩余壁厚的應(yīng)力分布不均勻度降低,約為未補(bǔ)強(qiáng)管道的一半,提高了管道的承載能力。 

【文章來源】：應(yīng)用力學(xué)學(xué)報. 2020,37(05)北大核心CSCD

【文章頁數(shù)】：8 頁

【部分圖文】：

補(bǔ)強(qiáng)管件的水壓試驗Fig.1Reinforcedpipeinthehydrostaticpressuretest

脂填料進(jìn)行了壓縮性能測試，結(jié)果表明其具有近似的彈性本構(gòu)，彈性模量為2.3GPa，極限應(yīng)力為99.7MPa，泊松比為0.4。為獲得升壓至11MPa以后的管件缺陷應(yīng)力狀況，數(shù)值模型在內(nèi)壓11MPa后，繼續(xù)增壓至15MPa。需要說明是，試驗中所用的管件較短，重力造成的彎矩有限。試驗管件注水前后的測試應(yīng)變差小于5.0×10-5，因此有限元模擬中忽略了水和管材的重力。但在長輸管線中，若管道重力引起地基沉降，則由此產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不可忽略。4試驗和模擬結(jié)果分析4.1補(bǔ)強(qiáng)管道試驗應(yīng)變的特征分析圖4、圖5為補(bǔ)強(qiáng)管道水壓試驗中各測點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變隨內(nèi)壓的演化曲線。由彈塑性力學(xué)可知，在彈性階段，管道環(huán)向應(yīng)變隨壓力線性增加；在塑性階段，環(huán)向應(yīng)變隨管道壓力非線性快速增加，即在同樣的壓力增量下，塑性階段的應(yīng)變增幅更大。文獻(xiàn)[1]對含體積型缺陷管件復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)的研究亦有相同結(jié)論。由圖4可見，缺陷中心的內(nèi)壓-環(huán)向應(yīng)變曲線在內(nèi)壓為6MPa后開始呈非線性增長。圖5中缺陷中心的內(nèi)壓-軸向應(yīng)變曲線在6MPa時呈同樣趨勢，說明缺陷中心(即0號測點(diǎn))在管件內(nèi)壓為6MPa時開始屈服。當(dāng)內(nèi)壓超過6MPa后，0號測點(diǎn)的軸向應(yīng)變隨內(nèi)壓增長而下降。這是由于管道缺陷進(jìn)入塑性后，應(yīng)變值顯著增大、泊松效應(yīng)增強(qiáng)導(dǎo)致的結(jié)果[13]。1號測點(diǎn)與0號測點(diǎn)的內(nèi)壓-軸向應(yīng)變曲線趨勢相似，但其環(huán)向應(yīng)變數(shù)值及曲線趨勢均顯示未屈服。這是由于1號測點(diǎn)位于缺陷上邊緣完整管壁處，缺陷底部局部區(qū)域屈服后缺陷上緣并未屈服，彈塑性區(qū)域交界的特殊位置導(dǎo)致1號測點(diǎn)的軸向應(yīng)變曲線較為特殊。圖4測試環(huán)向應(yīng)變-內(nèi)壓關(guān)系曲線Fig.4Curveoftestedcircumferent

辛搜顧跣閱懿饈裕?峁?礱髕渚哂?近似的彈性本構(gòu)，彈性模量為2.3GPa，極限應(yīng)力為99.7MPa，泊松比為0.4。為獲得升壓至11MPa以后的管件缺陷應(yīng)力狀況，數(shù)值模型在內(nèi)壓11MPa后，繼續(xù)增壓至15MPa。需要說明是，試驗中所用的管件較短，重力造成的彎矩有限。試驗管件注水前后的測試應(yīng)變差小于5.0×10-5，因此有限元模擬中忽略了水和管材的重力。但在長輸管線中，若管道重力引起地基沉降，則由此產(chǎn)生的彎曲應(yīng)力不可忽略。4試驗和模擬結(jié)果分析4.1補(bǔ)強(qiáng)管道試驗應(yīng)變的特征分析圖4、圖5為補(bǔ)強(qiáng)管道水壓試驗中各測點(diǎn)環(huán)向應(yīng)變和軸向應(yīng)變隨內(nèi)壓的演化曲線。由彈塑性力學(xué)可知，在彈性階段，管道環(huán)向應(yīng)變隨壓力線性增加；在塑性階段，環(huán)向應(yīng)變隨管道壓力非線性快速增加，即在同樣的壓力增量下，塑性階段的應(yīng)變增幅更大。文獻(xiàn)[1]對含體積型缺陷管件復(fù)合材料補(bǔ)強(qiáng)的研究亦有相同結(jié)論。由圖4可見，缺陷中心的內(nèi)壓-環(huán)向應(yīng)變曲線在內(nèi)壓為6MPa后開始呈非線性增長。圖5中缺陷中心的內(nèi)壓-軸向應(yīng)變曲線在6MPa時呈同樣趨勢，說明缺陷中心(即0號測點(diǎn))在管件內(nèi)壓為6MPa時開始屈服。當(dāng)內(nèi)壓超過6MPa后，0號測點(diǎn)的軸向應(yīng)變隨內(nèi)壓增長而下降。這是由于管道缺陷進(jìn)入塑性后，應(yīng)變值顯著增大、泊松效應(yīng)增強(qiáng)導(dǎo)致的結(jié)果[13]。1號測點(diǎn)與0號測點(diǎn)的內(nèi)壓-軸向應(yīng)變曲線趨勢相似，但其環(huán)向應(yīng)變數(shù)值及曲線趨勢均顯示未屈服。這是由于1號測點(diǎn)位于缺陷上邊緣完整管壁處，缺陷底部局部區(qū)域屈服后缺陷上緣并未屈服，彈塑性區(qū)域交界的特殊位置導(dǎo)致1號測點(diǎn)的軸向應(yīng)變曲線較為特殊。圖4測試環(huán)向應(yīng)變-內(nèi)壓關(guān)系曲線Fig.4Curveoftestedcircumferentialstrain

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
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本文編號：3138592