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白 勇等 ：纤维绳缠绕增强复合管拉伸有限元分析 61 DOI：10．13905／j．cnki．dwjz．2015．01．021 纤维绳缠绕增强复合管拉伸有限元分析 白 勇 ， 张 尹 ， 杨红刚 (1．浙江大学建筑3-程学院。 杭州 310058；2．宝鸡石油机械有限责任公司， 陕西 宝鸡 721002) 【摘 要】 本文提出了利用Abaqus软件对拉伸作用下纤维绳缠绕增强复合管( P【)性能进行研究的有限 元分析方法。该方法综合运用多种单元类型对纤维绳缠绕增强复合管进行模拟，考虑了材料非线性，提高了计算 效率，得到了拉伸荷载与管道轴向应变的关系。同时该建模方法可将缠绕纤维绳作为一种独立构件进行研究，考 察了纤维绳缠绕增强复合管中不同材料在管道承受拉伸荷载时的作用。 【关键词】 纤维绳缠绕增强复合管；拉伸；有限元；芳纶纤维绳 【中图分类号】 TU33 【文献标识码 】 B 【文章编号】 1001—6864(2015)01—0061—03 纤维绳缠绕增强复合管(ReinforcedThermoplastic HDPE相同。 Pipe，下文简称 RTP)是近年来广泛应用在陆地和近 海石油化工领域的新型管道，具有 自重轻、耐腐蚀、高 柔软度等优点，其显著结构特点是通过沿正反方向螺 旋缠绕的纤维绳达到增强管道抵抗荷载的目的。 拉伸性能是管道结构的重要力学特性 ，目前国内 关于各种具有缠绕增强结构的新型复合管材 的拉伸 性能已有所研究。为研究 以特定角度缠绕 的型钢抵 抗拉伸荷载的非粘结柔性管的抗拉性能，郑杰馨等… 图1RTP管道截面 提出了考虑了扭转影响，加载速率等多种因素的拉伸 实验系统。卢青针等 在 Knapp理论模型的基础上 如图2所示 ，为了简化建模，将两层加强层沿纤维 建立了简易的柔性管拉伸理论模型，并通过线弹性数 绳边缘进行划分 ，如图2(a)所示 ，可以形成 HDPE 值模型和实验进行了验证。卢玉斌 针对 以螺旋缠 层的部分如图2(b)阴影部分所示 ，可以与最内层和最 绕的钢丝作为增强材料的金属塑料复合管进行了力 外层 的 HDPE合并 ，以及在两层纤维绳之 间形成 学性能试验研究，并对其承受轴向力和内压等载荷联 HDPE层，进而使整个RTP管截面形成三层 HDPE层 ， 合作用下的力学响应特性进行 了有限元分析。针对 如图2(d)斜线阴影所示。 本文所研究的纤维绳缠绕增强复合管，白勇等进行了 RTP管在拉伸作用下的实验和有限元计算 以及RTP ：：o=== 在外压和拉伸联合作用下的力学性能研究 。 本文利用Abaqus软件建立了RTP管在拉伸作用 下的有限元模型，综合运用了连续壳单元、梁单元和 桁架单元相结合的方法建立模型，给出了RTP管在拉 伸作用下的力学性能，提高了计算效率，同时可以将 螺旋缠绕的纤维绳作为独立的构件加以研究，揭示了 缠绕纤维绳在RTP管抵抗拉伸荷载时的作用机理。 1 有限元模型 1．1 建模与网格划分 如图1所示，本文研究的RTP管包括四层。内层 和外层由高密度聚乙烯 (HDPE)材料构成。中间有两 图2 RTP截面简化示意图 层加强层，两层加强层由增强带按照相反的方 向以± 55。的角度螺旋缠绕在 RTP管的内外层之间而形成。 这三层 HDPE圆柱结构在 Abaqus中使用连续壳 增强带由高性能芳纶纤维绳和HDPE材料构成的基体 (continuumshel1)单元 (SC8R)模拟。采用连续壳单元 组成。本文中假定RTP管内层、外层以及加强层中的 的依据是，相对于管道的长