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纏繞復(fù)合材料管道因其高的比剛度、比強(qiáng)度、耐腐蝕、良好的隔熱等性能，在許多工業(yè)領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。復(fù)合材料還具有性能可設(shè)計的優(yōu)點(diǎn)，通過改變纏繞角度可以適應(yīng)不同的載荷條件，例如圓柱形薄壁壓力容器受內(nèi)壓時筒壁內(nèi)軸向正應(yīng)力為環(huán)向正應(yīng)力的一半，纏繞角為±55°時可使復(fù)合材料受力最合理。李曉芹等、崔昭霞等采用理論和有限元分析模型分析纏繞復(fù)合材料管中的應(yīng)力， Bakaiyan等困采用彈性理論分析纏繞復(fù)合材料管在內(nèi)壓和熱載荷下的應(yīng)力；伶麗莉等等采用最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則和殼單元，分析纏繞復(fù)合材料氣瓶殼體各種損傷模式及損傷后彎曲剛度的降低；UemuraM等建議纏繞層基體破壞時橫向模量和剪切模量的折減系數(shù)。本研究采用三維各向異性彈性理論分析內(nèi)壓和軸向組合載荷下復(fù)合材料纏繞管道各纏繞層中的應(yīng)力，進(jìn)而用Hashin破壞理論研究幾種纏繞角度下各層的強(qiáng)度包絡(luò)線，并研究纏繞角度逐層遞變，以使各層的應(yīng)力水平接近。
復(fù)合材料纏繞管道每個纏繞單層可以視為單向復(fù)合材料，本研究采用Hashin準(zhǔn)則判斷其失效。順纖維方向的拉伸和壓縮強(qiáng)度準(zhǔn)則分別為垂直纖維方向拉伸(或壓縮)應(yīng)力與面內(nèi)剪切應(yīng)力組合時的失效準(zhǔn)則，沿纖維方向、垂直纖維方向的正應(yīng)力和面內(nèi)剪應(yīng)力，沿纖維方向的拉、壓強(qiáng)度和面內(nèi)剪切強(qiáng)度，垂直纖維方向的拉伸和壓縮強(qiáng)度。
某碳纖增強(qiáng)環(huán)氧基纏繞復(fù)合材料管道，單纏繞層可視為單向復(fù)合材料，其彈性參數(shù)和強(qiáng)度參數(shù)分別見表，取圓管內(nèi)徑為500mm，每個纏繞層厚0.5mm，纏繞角度分別取為±350、±450、±550，管道施加1MPa的內(nèi)壓時各纏繞層應(yīng)力沿厚度方向的分布見圖。由圖中可以發(fā)現(xiàn)隨纏繞角度增加，對于每種纏繞角度的管道，管壁中，由里向外明顯增加，略有增加時略有增加外，另兩個角度基本保持不變。在管道軸向施加1MPa軸向應(yīng)力時，纏繞層中應(yīng)力隨厚度方向分布見圖。與施加內(nèi)壓時相反，隨纏繞角度增加，沿管壁由里向外波動，且整體趨向下降，其他兩個應(yīng)力分量基本維持不變。從上面的應(yīng)力分析可知，由于相鄰纏繞層間半徑差異引起的拉扭耦合效應(yīng)會造成纏繞層內(nèi)的剪應(yīng)力外層大于內(nèi)層。圖分別為纏繞角度為35°和55°時的強(qiáng)度包絡(luò)線，由于單層纏繞層順纖維向的強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于橫向強(qiáng)度，在本文研究的纏繞角度范圍內(nèi)，管道強(qiáng)度實(shí)際上受橫向和面內(nèi)剪切強(qiáng)度控制。
從圖中可以看出內(nèi)層的強(qiáng)度包絡(luò)線包含外層的，即纏繞管道的強(qiáng)度實(shí)際上由外層的受力決定。同時可以發(fā)現(xiàn)，適當(dāng)施加軸向壓力可以提高管道承受內(nèi)壓的能力。對于厚壁管道，內(nèi)外層的應(yīng)力不相等，沿厚度方向由里向外適當(dāng)增加纏繞角度，可以使內(nèi)外層的受力更均勻，充分利用每層材料的強(qiáng)度。本研究發(fā)現(xiàn)，每一對纏繞層由里向外纏繞角度按如下公式遞增內(nèi)、外層的強(qiáng)度包絡(luò)線可接近。圖為按上式調(diào)整了每層纏繞角度后三種管道(最內(nèi)層±35°、±45°、±55°)最內(nèi)層和最外層的強(qiáng)度包絡(luò)線，調(diào)整后它們最外層的強(qiáng)度包絡(luò)線擴(kuò)大至與最內(nèi)層的接近，軸向載荷為零時，三種纏繞角管道的最大內(nèi)壓承載能力分別提高了21.12%，25.95%，19.88%。
1)對于纏繞復(fù)合材料厚壁管道，由于各纏繞層半徑的差異引入的附加面內(nèi)剪應(yīng)力沿厚度方向(從內(nèi)部向外壁)逐漸增加，造成外層應(yīng)力大，比內(nèi)層先破壞。內(nèi)外層強(qiáng)度包絡(luò)線差別明顯，因此管道厚度的影響不可忽略。2)建議一種纏繞角度由里向外遞增的公式，可以使厚壁管道中各纏繞層的應(yīng)力分布更加趨同，在不增加纏繞層數(shù)和不明顯改變管道軸向和周向性能的條件下，顯著增強(qiáng)管道的內(nèi)壓承載能力。
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