文档介绍：化工装备技术应用与发展
纤维缠绕复合材料管道的应力分析
李晓芹张巨伟(辽宁石油化工大学抚顺)
摘要:为了更简便地计算出纤维缠绕复合管道在内压作用下各结构层承受的应力,本文主要采
用弹性力学及三维弹性材料各向异性理论,对纤维缠绕复合材料管的结构进行力学模型简化,推导出简
便适用的计算复合管道的应力公式。将本文得出的公式用软件通过实例进行验证,结果表明本
文推导的公式与分析结果符合良好,有一定的实用价值。
关键词:复合管道内压预应力应力分析
前言带之间完全紧密接触,不考虑它们之间的滑动、脱
离等效应;各缠绕层间摩擦及剪应力忽略不计;
传统的金属管线或易受腐蚀、或成本高、或
将基体层视为各向同性弹性材料,按薄壁圆筒受
较重引起弯曲变形而影响使用寿命。复合材料是
内压计算。
由两种以上的异质异形异性的材料,经过复合而
形成的新材料。它除保留原组分材料的主要特点
外,还能通过复合效应获得原有组分材料所不具
备的新的优异性能。复合材料已被广泛应用于化
工、航空、排水、石油等各大领域。
纤维缠绕复合材料管道具有耐腐蚀、比强度
高、弹性模量高、质量轻、可设计性强等特点。对
于薄壁圆筒而言,其环向应力与“轴向”应力之
比约为: ,若采用均质材料如金属管线在满足应力分析
环向强度的条件下轴向强度富裕较大,而经过纤复合管道在使用过程中主要承受内压作用,
维缠绕增强的管道可以通过缠绕层和缠绕角的变即环向应力占主导地位。因此,若将缠绕纤维在缠
化实现环向和轴向强度都没有剩余的强度储备而绕之前对其施加一定的预应力,使由此预应力产
提高材料的利用率。因此,对复合材料管道的研生的压应力与内压产生的环向应力抵消,可以提
究越来越受广大学者的重视。本文将纤维缠绕复Õ Õ
高复合管道的承载能力。设s、sq、s、s 、sq 、
合管道的结构进行力学模型简化,分为缠绕层和Õ
s 分别为基体层和缠绕层的径向、环向和轴向应
基体层,按薄壁圆筒相关规定进行计算推导出内Õ Õ Õ
力。用s、sq1、s、s 、sq1 、s 分别表示管道
外层的应力公式。在内压作用下基体层和缠绕层所受的径向、环向
Õ Õ Õ
建立力学模型和轴向应力。用s、sq2、s、s 、sq2 、s 来分
将复合管道的力学分析模型简化如图所示。别表示管道在纤维预紧力作用下基体层和缠绕层
在分析应力过程中做如下几点假设:缠绕所受的应力。则有下式:
- -
化工装备技术应用与发展
Õ Õ Õ
s s  s s  s   s 轴向弹性模量及泊松比。
Õ Õ Õ
{ sq  sq1   sq2 { sq  sq1    sq2 预应力作用下
Õ Õ Õ
s s  s s  s   s 设缠绕纤维在初始预应力作用下环向产生的
Õ
受内压作用应变为 eqz,则可得预应力在基体层和缠绕层接触
因为分析过程中按薄壁圆圆筒相关规定进面上产生的接触压力为:
Õ
行计算,内压作用下所产生的径向应力与环向 eq2
R 2+R 2 1 R 2+R 2
应力和轴向应力相比较小可忽略不计,所以近Õ 1 a b c b Õ
eq2 - u +