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抗压铠装层模型的应力与内压关系探讨

时间:2023-06-23 理论教育 版权反馈
【摘要】:理论模型遵循一系列限制性假设,而有限元模型不限于此。图14.8抗压铠装层模型抗压铠装层是非粘结柔性管承受内压的主要结构。图14.9为抗压铠装层的Mises应力随内压增大时在该截面的变化情况,为表达清晰将图例的应力变化范围固定在600 MPa。图14.9Z形截面Mises应力随内压的变化趋势图14.10显示了抗压铠装层Mises应力与内压之间的关系。可以发现,理论曲线与有限元曲线处于同一趋势,但有限元模型的结果曲线总是滞后于理论曲线。

抗压铠装层模型的应力与内压关系探讨

值得注意的是,本章仅限于预测抗压铠装层承受内压时的力学性能,管道制造时所产生的残余应力不予考虑。理论模型遵循一系列限制性假设,而有限元模型不限于此。因此这两种分析方法之间会存在一定的误差。由于边界条件的限制,参考点附近的应力结果数值不适用,因此选取柔性管中间段的数值结果。

图14.8 抗压铠装层模型

抗压铠装层(图14.8)是非粘结柔性管承受内压的主要结构。其在内压加载过程中,除了端部附近外,其他部位的Mises应力变化较一致且均匀,现选择中部附近的一个Z形截面进行研究。图14.9为抗压铠装层的Mises应力随内压增大时在该截面的变化情况,为表达清晰将图例的应力变化范围固定在600 MPa。由图可知,Z形截面的应力从下至上逐渐减小,符合内压作用时应力沿截面厚度方向变化的一般规律。而由于Z形截面本身的形状,应力的最值点往往发生在左右两端部。随着内压增大,抗压铠装层的应力也不断增加,截面的最内侧率先达到屈服,然后逐渐向外部扩展。当内部压力在70~80 MPa时,全截面达到屈服。

图14.9 Z形截面Mises应力随内压的变化趋势

图14.10显示了抗压铠装层Mises应力与内压之间的关系。从图中可以看到,在抗压铠装层屈服前,两种方法的结果具有较好的一致性。但当屈服发生后,两者开始出现误差。与之前分析相似,主要是由于有限元中抗压铠装层的自锁会使得截面发生应力重分布,导致应力难以预测,而理论方法无法考虑这种变化。但总的来说,两者的差异不是很大。理论分析结果为71 MPa,ABAQUS数值结果为74 MPa。(www.xing528.com)

图14.11和图14.12分别显示了轴向位移与内压、径向位移与内压之间的关系。有限元模型中的轴向位移取耦合点RP-2的值,有限元模型中的径向位移取管道中段的值。可以发现,理论曲线与有限元曲线处于同一趋势,但有限元模型的结果曲线总是滞后于理论曲线。这是因为抗压铠装层截面的变形将受到其自锁结构的限制,但理论上不考虑这种影响。因此在随后的变形发展中,有限元模型的变形曲线总是滞后于理论模型的变形曲线。当内部压力继续增加并且当抗压铠装层屈服发生时,轴向位移和径向位移开始急剧增加。这也表明抗压铠装层是主要的内部抗力结构,当它失效时,管道很快就会失效。

图14.10 内压-抗压铠装层Mises应力曲线

图14.11 内压-轴向位移曲线

图14.12 内压-径向位移曲线

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