轴向压缩荷载作用下纤维增强柔性管渐进失效研究.pdf

复合材料科学与工程:/轴向压缩荷载作用下纤维增强柔性管渐进失效研究卜嘉润 刘文成 王树青 丁新东(中国海洋大学 工程学院 青岛 山东省海洋工程重点实验室 青岛)摘要:以一种黏结型的纤维增强柔性管为研究对象基于/建立纤维增强柔性管的实体单元模型根据 失效判据判断柔性管模型失效情况使用了嵌套非线性刚度退化模型的 子程序发展了轴向压缩下纤维增强柔性管的渐进失效模型具有准确判断柔性管在压缩工况下失效模式、位置的功能 通过压缩实验验证了有限元模型数值模拟与实验得到的力与位移关系吻合较好 在此基础上进一步分析了压缩工况下柔性管各失效模式的演化过程 研究结果表明:压缩工况下纤维增强柔性管失效的主要模式为基体压缩及纤维压缩失效且各失效模式出现于管道的不同位置 柔性管纤维缠绕角度大于 时主要的失效模式由纤维压缩失效变为基体压缩失效关键词:纤维增强柔性管 轴向应力 失效判据 刚度退化 渐进失效 复合材料中图分类号:文献标识码:文章编号:()()():/.:收稿日期:基金项目:国家杰出青年科学基金()工信部海洋工程用玻纤增强柔性管研制与应用示范项目 山东省泰山学者工程计划()作者简介:卜嘉润()男 硕士研究生 主要从事海洋柔性管分析方面的研究通讯作者:王树青()男 博士 教授 主要从事海洋工程结构安全与防灾方面的研究 柔性管包括黏结性柔性管与非黏结柔性管两类其中纤维增强柔性管具有优良的耐腐蚀性、良好的保温能力、高刚度、低重量、易于安装等优势被认为是钢管的可能替代品 纤维增强柔性管主要由内衬层、纤维增强层和外保护层三部分构成其中纤维增强层是由多层纤维带复合材料以一定的角度交错缠绕而成的是整个管道受力的主要承载构件 内衬层及外保护层通常采用热塑性高分子材料制作具有较强的防腐蚀、抗老化性能目前国内外已有不少专家学者对纤维增强柔性 年第 期轴向压缩荷载作用下纤维增强柔性管渐进失效研究管的力学性能进行了理论研究分析 余彬彬基于非线性环理论建立了纤维增强柔性管在弯曲、弯曲与轴向拉力耦合荷载作用下的屈曲理论建立了对应的有限元模型模型与实验对比吻合较好 等对不同纤维缠绕角度的纤维增强柔性管在轴向拉力、内外压等荷载耦合作用下的应力应变状况进行了分析并将有限元结果与理论结果进行了对比两者吻合较好 等在考虑了剪切变形与前屈曲变形的情况下对外压、弯矩、外压和弯矩耦合作用下纤维增强柔性管的破坏进行了分析推导了纯外压、纯弯矩、外压和弯矩组合作用下纤维增强柔性管失效的计算公式 等基于经典弹性理论和 公式提出了计算纤维增强柔性管环向弹性模量的方法该方法与数值计算方法及已有的均质化方法吻合较好此后又提出了一种刚度面方法将轴向刚度和环向刚度的解析表达式分别推导为两个简洁的公式得到的轴向刚度、环向刚度与数值结果相吻合其文章中建立的模型能够给出精确的压溃临界力和环向应力分布在纤维增强层失效方面 等将纤维增强层的失效模式分为纤维拉伸失效、基体拉伸失效、纤维压缩失效和基体压缩失效四种 等提出了一个类似的公式来评估相邻纤维增强层的脱层失效 相比于最大应力、应变准则和 准则 失效准则的精度更高 基于 和 的工作 等建立了一个基于均匀化方法的纤维增强柔性管轴向拉伸的分析模型 模型中考虑了失效准则和材料退化具有识别失效位置、预测失效模式和分析失效扩展等功能当前纤维增强柔性管的损伤分析通常是使用电子显微镜对实验后的管道进行观察这种方法只能观察到管道最终的损伤形态而损伤的演化即柔性管渐进失效的模式则无从得知 现有的研究资料中对纤维增强柔性管在压缩工况下的渐进失效讨论较少 因此本文基于 失效判据判断柔性管失效情况在考虑高密度聚乙烯材料塑性和纤维增强层刚度退化的情况下发展了一种轴向压缩荷载作用下纤维增强柔性管渐进失效的分析方法 同时本文还研究了增强层中纤维缠绕角度变化对管道失效模式的影响 复合材料渐进失效理论复合材料的失效模式是复合材料领域研究的重点从实验角度只能得到材料失效的最终形态而无法观察其失效过程 从失效理论角度目前尚未有一种理论能够成功预测全部复合材料失效的情况当前比较常见的失效判断标准包括最大应力准则、最大应变准则、准则、准则、准则等其中 失效准则是应用最为广泛的一种 因此本文利用 失效准则对复合材料失效进行判断使用失效因子对复合材料的失效程度进行表征在柔性管受到的荷载逐渐加大的过程中进行损伤系数的计算以构建一个能够体现增强层渐进失效的纤维增强柔性管模型 此模型可以精确模拟纤维增强层的渐进失效和损伤演化过程 复合材料失效判据本文采用三维 失效准则的连续损伤模型()来预测纤维增强柔性管的损伤情况 失效准则的破坏模式包括纤维拉伸失效、纤维压缩失效、基体拉伸失效、基体压缩失效和脱层失效五种 该准则和刚度退化模型被广泛用于预测复合材料结构的渐进失效与实验结果吻合程度较好 失效准则的表达式如式()至式()所示纤维拉伸失效:()纤维压缩失效:()基体拉伸失效:()()基体压缩失效:()()()()脱层失效:()年 月复合材料科学与工程式中:、分别为积分点应力张量的六个分量、为抗剪强度各项材料参数的下标、代表着如图 所示的材料坐标系中的材料方向 为纤维方向 为平面内切向 为平面外切向、则分别代表着单层纤维增强层纤维方向的抗拉强度、纤维方向的抗压强度、基体方向的抗拉强度、基体方向的抗压强度和厚度方向的抗拉强度图 材料坐标系 在上述失效判定公式中失效因子()用来表征复合材料各铺层的失效程度当 时表示材料产生失效 此后再定义损伤系数 来描述失效后损伤的程度与失效因子 相关表达式如式()所示:()()式中:为损伤系数损伤系数 与相应的失效模式相关联 在此处取值为 由于损伤的演化是一个不可逆的过程因此材料一旦损伤就无法完全恢复相应的损伤系数 被定义为时间 的函数如式()所示:()()()由于复合材料的同一层中可能同时出现多种失效模式因此需要通过比较损伤参数的大小确定主要的失效模式 损伤参数()与损伤系数相关联损伤参数的定义如式()所示:()()()()()()()损伤参数数值最大的失效模式是主要的失效模式 由于应力场和纤维缠绕角度的复杂性在计算过程中损伤参数的变化是非线性的 当发生损伤时复合材料的刚度矩阵随着损伤逐渐退化因此可以利用损伤参数不断更新主材料坐标系下复合材料各层的刚度矩阵如式()所示:()()()()()()()失效演化 子程序应用在有限元软件/中自定义的 子程序包含了 失效准则考虑了失效因子、损伤系数、损伤参数及材料应力应变本构关系等内容 因此 子程序可以模拟纤维增强层的渐进失效和损伤演化过程及层内失效和层间脱层状态此程序的运行步骤是首先从 求解器中获取状态变量例如应力变量、应变变量输入子程序中 在 子程序中总应变是当前步骤中的应变增量与先前步骤的应变分量的总和有了应变则可以根据材料本构关系计算应力然后根据 失效判据在模型的各个位置判断是否失效一旦出现失效则根据更新的损伤参数进行复合材料的刚度退化 随后可以根据相应的刚度矩阵更新每个材料点的应力 最后更新后的状态变量返回到 的主程序中进行下一个递增步骤循环往复 在失效机理角度随着管道承受的荷载不断增大各铺层应力逐渐增大利用 失效准则判断复合材料是否发生失效一旦失效材料的刚度参数依据失效模式进行退化通过循环计算材料中的损伤不断累积到一定程度时不能承载 子程序实现渐进失效分析的详细流程如图 所示 年第 期轴向压缩荷载作用下纤维增强柔性管渐进失效研究图 子程序流程图 纤维增强柔性管轴向压缩数值模拟选定一种外径为 的管道进行有限元模拟 使用 有限元软件建立纤维增强柔性管数值模型进行准静态数值模拟分析 单元在求解塑性和大变形等非线性问题时更加易于收敛因此使用 单元来建立柔性管模型 纤维增强柔性管的几何参数如表 所示材料参数如表 所示 纤维增强柔性管内衬层与外保护层材料为高密度聚乙烯 当所受的轴向压力过大时复合材料铺层出现局部失效刚度折减内衬层和外保护层进而发生屈服失效导致管道的最终失效 因此需得到高密度聚乙烯的材料性能和各向同性的塑性数据数据来自拉伸实验所测真实值 高密度聚乙烯的应力应变曲线如图 所示 建立的柔性管有限元模型的整体示意图如图 所示表 纤维增强柔性管几何参数 样管增强层层数内径/外径/内衬层厚度/增强层厚度/外保护层厚度/缠绕角/管长度/.表 纤维增强柔性管材料参数 纤维增强层内衬层与外保护层材料玻璃纤维带高密度聚乙烯弹性系数.强度参数 图 高密度聚乙烯的应力应变曲线 年 月复合材料科学与工程图 纤维增强柔性管模型 有限元模型中将给管道两端施加压力的板设定为刚体在两板的中心位置分别设定两个参考点、参考点与板上所有节点进行运动学的耦合 模型上端刚性板只允许其沿 方向即轴向方向进行位移下端刚性板施加固支约束即完全固定在上板施加向下(方向)的 均布力 设定板和管道截面的摩擦系数为 柔性管整体有限元模型受力示意图如图 所示图 有限元模型荷载施加 结果讨论 实验与数值模拟结果对比为了验证数值模型的有效性对纤维增强柔性管开展了轴向压缩实验压缩实验中使用的纤维增强柔性管的几何参数及材料参数如表、表 所示实验采用静态加载方式选定最大压力为 的万能试验机进行实验 在实验过程中机器实时记录了试件力位移的曲线变化 实验设置如图 所示图 纤维增强柔性管压缩实验设置 实验和数值模拟分别得到的力位移对应关系如图 所示 实验中柔性管的弹性阶段极限压力为 仿真结果为 两者差距为 误差较小 同时实验中力位移曲线与有限元结果整体吻合较好 误差出现的原因是试件在轴向有轻微的弯曲在轴压加载过程中实验刚开始时获得的位移相对较大导致实验结果的弹性刚度偏小 因此管道加工及装配过程中需避免管道出现缺陷影响其承载性能 数值模型同时考虑了各向同性材料的塑性和纤维增强层的渐进失效可以对纤维增强柔性管的弹性阶段极限压缩荷载进行准确预测验证了有限元模型的可靠性图 力位移曲线对比 从纤维增强柔性管压缩工况的力位移曲线的比较中可以看出柔性管的压缩首先处于弹性阶段因此曲线的起始部分是线性的当压力增加到某个值时达到了管道弹性阶段极限压力柔性管中纤维层开始发生损伤之后随着位移的增大压力的增长越来越慢代表着管道的轴向刚度随着损伤发展不断降低 实验管道渐进失效分析在纤维增强柔性管受到压缩荷载的过程中如果能观察到管道渐进失效的过程就可以有针对性的进行破坏预测与预先保护 通过 子程序就能模拟纤维增强层渐进失效的过程 增强层中失效程度越大则对应 数值越大 最大值设为 使用与实验中相同参数的有限元管道模型对其施加 的轴向压力后可以观察到出现了基体压缩和纤维压缩两种失效模式柔性管中增强层基体压缩失效的演化模式如图 所示选择柔性管失效出现至临近完全破坏过程中的四个加载节点分析渐进失效情况 当轴向压力为 时增强层开始出现基体压缩失效基体压缩失效在各层中几乎是同步发生的随着压力逐渐增大内层的失效程度始终要稍大于外层 基体压缩失效主要集中于管道的中部由中部向两端扩散 年第 期轴向压缩荷载作用下纤维增强柔性管渐进失效研究图 纤维增强柔性管增强层基体压缩失效的演化模式 ()而另一种失效模式即纤维压缩失效的演化模式如图 所示纤维压缩失效模式出现晚于基体压缩失效模式 与基体压缩失效类似选定四个加载节点当压力大小为 时纤维压缩失效最先出现于管道两端同时根据计算结果 较小纤维压缩失效程度偏低 纤维压缩失效首先出现于增强层外层随后失效演化传导至内层且仅局限于管道端部中间部分不存在纤维压缩失效图 纤维增强柔性管增强层纤维压缩失效的演化模式 ()轴向压缩荷载下纤维增强层内基体压缩失效为主要失效模式且由管道中部向管道两端传递由于端部的应力集中纤维压缩失效仅出现在端部附近位置 纤维缠绕角度对渐进失效的影响使用与实验中相同参数的管道进行数值模拟表 列出了纤维增强柔性管在不同纤维缠绕角度下各失效模式最初产生时的压力大小 由于此工况为 年 月复合材料科学与工程压缩工况因此失效的主要模式是基体压缩和纤维压缩 同时从表 中可以看出即使在轴向压缩荷载下纤维增强层也可能出现纤维和基体的拉伸失效模式表 柔性管各失效模式最初产生时的轴向压力大小 缠绕角度/纤维拉伸/纤维压缩/基体拉伸/基体压缩/脱层/././././././.对于纤维缠绕角小于 的纤维增强柔性管因为沿纤维方向的弹性模量较大所以纤维压缩是主要的失效模式同时也会出现基体的拉伸、压缩失效及脱层失效 而对于纤维缠绕角大于 的纤维增强柔性管其沿纤维方向的弹性模量变小基体压缩失效便成为了此时最主要的失效模式针对表 中各个角度的失效模式进行分析讨论以纤维缠绕角为 的纤维增强柔性管为例讨论其失效演化模式 其中纤维压缩失效演化模式如图 所示当轴向压力达到 时纤维压缩失效最先出现于管道的两端失效由管体两端逐渐延伸至管道中间部分 基体拉伸失效模式如图 所示当轴向压力为 时基体拉伸失效出现在管道两端约三分之一长度处随着压力的逐渐加大基体拉伸失效逐渐向中间扩展除管道两端外其余部分均发生基体拉伸失效 基体压缩失效演化模式如图 所示当轴向压力达到 时基体压缩失效最先出现于柔性管中部但随着压力的增大管体中间部分失效程度较小管体两端的基体压缩失效程度急速增大产生应力集中现象对于脱层失效仅当压力过大时出现在端部的极少数区域 基体拉伸及基体压缩失效是此工况下出现最早且影响范围较大的两种失效模式图 纤维增强柔性管增强层纤维压缩失效的演化模式 ()年第 期轴向压缩荷载作用下纤维增强柔性管渐进失效研究图 纤维增强柔性管增强层基体拉伸失效的演化模式 ()图 纤维增强柔性管增强层基体压缩失效的演化模式 ()结 论本文研究了纤维增强柔性管在轴向压缩工况下的力学响应根据 失效准则使用损伤系数表征增强层失效情况并进行刚度退化计算通过调用 子程序建立了柔性管非线性刚度退化的模型此模型具有预测柔性管的失效模式、失效位置等功能 本文对柔性管模型的失效演化、纤维缠绕角度变化产生的影响等方面进行了分析得到以下结论:()通过实验与数值模型的对比分析发现数值模型能较好地预测纤维增强柔性管的刚度特性和极限压缩荷载验证了数值模型的可靠性 结果表明纤维缠绕角的柔性管在压缩荷载下会出现基体压缩和纤维压缩的失效情况 同时数值模型也可以准确预测管道两端的应力集中具体描述损伤演化的情况()纤维缠绕角度大于 时柔性管主要的失效模式就由纤维压缩失效变为基体压缩失效 值得注意的是即使是压缩的工况柔性管仍可能出现纤维拉伸失效和基体拉伸失效参考文献 任少飞.非粘结柔性立管截面力学性能及典型失效特性研究.上海:上海交通大学.潘俊 张东胜 李鹏 等.深海玻纤增强柔性管截面结构设计及强度分析.玻璃钢/复合材料():.潜凌 李培江 张文燕.海洋复合柔性管发展及应用现状.石油矿场机械 ():.:.张耘晗 娄敏 胡平 等.纤维增强复合材料柔性管强度校核及截面设计.石油机械 ():.余彬彬.纤维缠绕增强复合管铺设中的非线性屈曲分析与研究.浙江:浙江大学.:.(下转第 页)年 月 约束再生骨料混凝土抗压强度及极限应变计算模型对比研究 王嘉晖 方震 邓盛杰 等.再生混凝土力学性能的研究现状/全国现代结构工程学术研讨会学术委员会.第二十一届全国现代结构工程学术研讨会论文集.河北:第二十一届全国现代结构工程学术研讨会:.():.():.():.:.():.:.张曦文.约束再生玻璃骨料混凝土轴压力学性能试验研究.广州:广东工业大学.:.张文鹏.约束回收砌体骨料混凝土圆柱轴压力学性能试验研究.广州:广东工业大学.:.:.:.:.:.:.():.():.詹瑒 李奔奔 崔璟 等.双轴对称截面 轴心受压杆件整体屈曲临界力计算方法分析.复合材料科学与工程():.(上接第 页).().:.():.:.():.:.:.:.():.贾子璇 林松 贾晓龙 等.基于渐进损伤数值模拟的复合材料气瓶爆破压强优化.复合材料科学与工程():.():.余芬 刘国峰 何振鹏 等.热力耦合作用下复合材料沉头螺栓搭接结构渐进损伤研究.复合材料科学与工程():.().():.():.年 月