管状纺织复合材料力学性能的有限元分析.pdf

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1、第2 9 卷第5 期 2 0 0 8 年5 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h V 0 1 2 9N o 5 M a y2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 0 5 0 0 5 1 0 5 管状纺织复合材料力学性能的有限元分析 张淑洁，王瑞，徐磊，王欢 ( 天津工业大学纺织学院，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要在翻衬过程中，由于管状纺织复合材料的管径小于原管道的内径，或原管道存在变形，要求管状纺织复合 材料受压后在环向有一定的应变，从而使其紧贴在管壁上。通过有限元方法对管状纺织复

2、合材料翻衬时的应力与 应变情况进行了分析，用计算机模拟的应力应变值来评判管状纺织复合材料在一定翻衬压力下是否达到了工程要 求的应变，当管状纺织复合材料几何参数和材料参数一定时，通过有限元分析修复管道管径的范围。采用定负荷 拉伸试验对有限元分析的结果进行了验证，其试验值与有限元模拟值基本吻合。 关键词管道修复；管状纺织复合材料；应力；应变；有限元分析 中图分类号：1 1 33 3 2 ；T E4文献标识码：A F i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so fm e c h a n i c a lp r o p e r t i e so f t h et u b

3、 u l a rt e x t i l ec o m p o s i t e s Z H A N GS h u j i e ，W A N GR u i ，X Uk i ，W A N GH u a n ( S c h o o lo fT e x t i l e s ，T i a n j i nP d y t e c h n i cU n i v e r s i t y ，T i a n j i n3 0 0 1 6 0 ，C h i n a ) A b s t r a c tT h et u b u l a rt e x t i l ec o m p o s i t e s 鹅t h el i

4、n e ri si n v e r s e di nt h ep i p e l i n eb yg a so rw a t e rp r e s s u r eS O t h a tt h ed a m a g e dp i p e l i n ec a l lb er e h a b i l i t a t e d D u r i n gi n v e r s i o n ，b e c a u s et h ed i a m e t e ro ft h et u b u l a rt e x t i l e m a t e r i a li sl e s st h a nt h a t o

5、 ft h ep i p e l i n e ，o rt h ep i p e l i n ei sd i s t o r t e d ，8 0t h ea n n u l u sd i s p l a c e m e n to ft h e t u b u l a rt e x t i l ec o m p o s i t e sd u et op r e s s u r ei sn e c e s s a r y ，t h e nt h et u b u l a rt e x t i l ec o m p o s i t e sc a l le l i n gt i g h tt ot h

6、 e p i p e l i n ew a l l ，T h ep a p e ra n a l y z e dt h es t r e s sa n ds t r a i n o ft h et u b u l a rt e x t i l ec o m p o s i t e sd u r i n gi n v e r s i o n t h r o u g ht h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s ，t h r o u g ht h e s t r e s sa n ds t r a i ns i m u l a t e db yc o

7、m p u t e r ，w h e t h e rt h es t r a i n m e e t st h er e q u i r e m e n to ft h ee n g i n e e r i n gC a l lb ej u d g e d S ow h e nt h eg e o m e t r ya n dm a t e r i a lp a r a m e t e r s 黜 c e r t a i n ，t h es c o p eo fd i a m e t e ro fp i p e l i n et h a tt h et u b u l a rt e x t i

8、 l ec o m p o s i t e sc a nr e p a i ri sc o n f i n e d A n d t h r o u g ht e n s i l et e s tu n d e rac e r t a i nl o a d ，t h er e s u l to ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i si sv e r i f i e d ，a n dt h et e s tr e s u l t s h o w st h a tt h ed a t ao ft h et e s ta r ec o n s i s

9、 t e n tw i t ht h a to ft h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s K e yw o r d sp i p e l i n er e h a b i l i t a t i o n ；t u b u l a rt e x t i l ec o m p o s i t e s ；s t r e s s ；s t r a i n ；f i n i t ee l e m e n ta n a l y s i s 管状纺织复合材料作内衬管修复管道，是通过 气压或水压翻转衬于管道中。一般管状纺织复合 材料的口径等于或小于旧管道的内径

10、，这样在翻衬 压力的作用下，管状纺织复合材料由于应变粘贴在 管壁上，如果管状纺织复合材料的口径大于旧管道 的内径，则可能产生大量褶皱，影响管道内介质的流 速心o 。因此在管状纺织复合材料翻衬过程中要求其 受压后在环向有一定的应变，从而使得管状纺织复 合材料紧贴在管壁上。本文通过有限元方法对管状 纺织复合材料翻衬时的应力应变情况进行了分析， 以便在管状纺织复合材料几何参数和材料参数一定 时，界定其修复管道的管径范围。 1 翻衬过程中应力应变的有限元分析 1 1 有限元模拟 图1 示出管状纺织复合材料的横截面受力情 收稿日期“ 2 0 0 7 0 6 0 7修回日期1 2 0 0 7 1 0 1

11、2 基金项目：天津市高等学校科技发展基金计划项目( z 咖2 0 ) 作者简介：枷# ( 1 9 7 6 - - - ) ，女，博士生。主要研究领域为纺织材料与纺织品设计。王瑞，通讯作者，E - m a i l ：w a n g m i t j p u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 5 2 纺织学报第2 9 卷 况。在其内表面承受气体压力P 作用时，有限元分 析的目的是求管壁的应力场分布。管状纺织复合材 料的几何参数为：外

12、径D 。= 4 9 0n u n ；内径D ：= 4 8 4 4m m ；壁厚日= 2 8I n l n 。涂层管状织物的材料 参数为：纬向弹性模量E = 2 2 8 3 1 0 6P a ；泊松比 y = 0 3 。根据国内一些企业引进的管道翻衬修复技 术提供的翻衬施工工艺参数，一般翻衬压力范围为 0 0 5 。0 0 8M P a b l ，取管状纺织复合材料内的载荷 P = 0 0 5M P a 。 图1 涂层织物受力衙图 F i g 1 S k e t c ho fs u f f e r i n gp o w e ro ft h et u b u l a r + t e x t i l

13、 ec o m p o s i t e s 由于管状纺织复合材料沿长度方向尺寸远大于 管状纺织复合材料的内径，在计算过程中忽略管状 纺织复合材料的断面效应，可将该问题简化为平面 应变问题，选取管状纺织复合材料横截面建立几何 模型进行求解。 采用有限元通用软件进行分析，将步骤分成 3 个阶段。第1 阶段是建立有限元模型，完成单元 格划分；第2 阶段是对建立的有限元模型进行计算 求解；第3 阶段是采集处理分析结果，从而简便提取 信息，获得计算结果。具体步骤如下乜 。 1 ) 定义单元类型。Q u a d8 n o d e 定义单元有8 个 节点，每个节点有2 个自由度，分别为并和Y 方向的 平移，

14、既可用作平面单元，也可以用作轴对称单元， 对于四边形和三角形混合网格，它有较高的结果精 度，可以适应不规则形状而较少损失精度，因此这里 单元类型定义为S t r u c t u r a lS o l i d Q u a d8 n o d e ，单元的 分析动作为P l a n es t r a i n 。 2 ) 生成几何模型、划分网格。由于管状纺织复 合材料的对称性，首先通过创建圆形面形式，创建了 9 0 。圆环面，再通过影射功能得到1 8 0 0 圆环面，再到 3 6 0 0 圆环面，创建过程见图2 。采用前处理器 P r e p r o c e s s o f f M e s h i n

15、 g M e s h 对几何模型进行划分，划 、日廖日 图2 创建几何模型过程 F i g 2 V r o c e $ 8o fe s t a b l i s h i n gg e o m e t r ym o d e l 图3 网格划分结果显不 F i g 3 R e s u l to fg r i d d i n gp l o t 3 ) 加载求解。在求解器S o l u t i o n D e f i n eL o a d s 把 压力P = 0 0 5M P a 输入，实现在管状纺织内衬材料 内壁节点上施加压力载荷，如图4 ( a ) 所示，并通过 S t r u c t u r a

16、l D i s p l a c e m e n t O nn o d e s 对管状纺织内衬材 料对称4 条线上的节点分别施加髫与Y 方向的位移 约束，如图4 ( b ) 所示。 4 ) 模拟结果。在后处理器G e n e r a lP o s t p r o c P l o t R e s u l t 中可以查看求解结果，管状纺织复合材料横 截面上的应力分布见图5 ，管状纺织复合材料轴向 的应变见图6 。由于划分节点比较多，因此无法采 用列表的形式把环向每个节点的应力、应变与位移 列出。对通过G e n e r a lP o s t p r o c l i s t R e s u h s 给

17、出的每个 节点的应力、应变与位移求平均，得到由于内压引起 的管状纺织复合材料环向应力、应变与位移。翻衬 压力范围为0 0 5 0 0 8M P a 【3 】，如果取其他压力点， 只是在加载求解步骤中，改变压力输入值，其他分析 过程相同。分析结果见表1 。 表I 不同压力下涂层管状织物环向应力、应变与位移 T a b 1 A v e r a g ec i r c l es t r e s s 。s t r a i na n dd i s p l a c e m e n to ft h e t u b u l a rt e x t i l ee o m p m i t e su n d e rd

18、i f f e r e n tl o a d s 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第5 期 张淑洁等：管状纺织复合材料力学性能的有限元分析 。5 3 、痧夕 鼍、 77，_i：卫一、：、 、 jI、：I_I忑I， 、j 型一，一，7 图4 节点上施加压力载荷与位移约束示意图 F i g 4 S k e t c ho fi n f l i c t i o np 嘲s u r e ( a ) a n d d i s p l a c e m e n tr

19、 e s t r i c t i o n ( b ) o nn o d e s 图5 应力等值线图 F i g 5 S k e t c ho ft h e8 t r e s s 1 2 模拟结果分析 从图5 、6 可以看出，当管状纺织复合材料受到 恒定内压时，受到的应力与应变从内壁到外壁依次 减少，因此材料的危险区域应在管状纺织复合材料 的内壁上。从表1 可以看出，内压越大，管壁所受应 力应变越大，而当翻衬压力为0 0 5M P a 时，管径变化 为5 2 8 6m m 。即通过有限元分析得知符合几何属性 与材料属性的管状纺织复合材料修复管道的范围为 4 9 0 一( 4 9 0 + 5 2

20、8 6 ) m m ，管道管径小于4 9 0m m ，修复 图6 应变等值线图 F i g 6 S k e t c ho ft h es t r a i n 完毕后，管状纺织复合材料容易有褶皱，影响介质流 速，如管道管径大于( 4 9 0 + 5 2 8 6 ) r a n l ，由于翻衬时 涂层管状织物管径变形达不到要求，管状纺织复合 材料上的树脂无法与管壁黏结，会造成撤压后，管状 纺织复合材料从管道上塌落的现象。当翻衬压力为 0 0 6 、0 0 7 和0 0 8M P a ，管状纺织复合材料所修复管 道范围的分析基本相同，只是压力越大，修复范围会 相应大一些，但不能盲目依靠增加翻衬压力使

21、得管 状纺织复合材料所修复管道管径范围增大，一是要 考虑管状纺织复合材料的承压能力，即当翻衬压力 过大，超过其极限承载压力，管状纺织复合材料会出 现破裂现象；二是当撤压后，管状纺织复合材料还有 一个回缩的力，如果管状纺织复合材料变形比较大， 回缩力超过了树脂与管壁的黏结力，会发生管状纺 织复合材料塌落的现象。 2 定负荷拉伸试验 在翻衬过程中，管状纺织复合材料受到的翻衬 压力是恒压，为了验证有限元分析的精确度，对管状 纺织复合材料的定负荷拉伸性能进行了测试。由于 主要考察管状纺织复合材料纬向定负荷时的应变情 况，因此对管状纺织复合材料纬向定负荷拉伸性能 进行了测试。管道内压引起管状纺织复合材料

22、的纬 向应力【4 。5 1 为 P ( D ，+ 日) ，1 、 d ，2 药广 L 1 ， 式中：口。为管状纺织复合材料的纬向应力，M P a ；P 为管道内压，M P a ；D ，为管道内经，m m ；H 为管状纺 织复合材料厚度，m l n 。 翻衬压力范围为0 0 5 0 0 8M P a ，这里取0 0 5 、 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 5 4 纺织学报第2 9 卷 0 0 6 、0 0 7 、0 0 8M P a4 个压力点，假设

23、待修复管道 管径为5 0 0m m ，试样厚度为2 8I D A T I ，代入式( 1 ) ，得 到作用在管状纺织复合材料纬向的应力分别为 4 4 3 、5 3 1 、6 2 0 和7 0 8M P a 。试样尺寸为1 5 0I T I I H 2 5m m ，定负荷试验中输入的力值单位是N ，由于管 状纺织复合材料的厚度与宽度分别为2 8 3 9 、 2 5m m ，应力4 4 3 、5 3 1 、6 2 0 和7 0 8M P a 分别除以试 样的截面积2 8m m 2 5I T l l n ，得到试验时的定负荷 值，分别取3 1 4 3 0 、3 7 7 3 0 、4 4 0 3 0

24、和5 0 2 6 0N ，拉伸 停止时间都为1 0r a i n 。试验仪器为H D 0 2 6 电子织物 强度仪，试验结果见图7 。 5791 l1 31 51 71 92 12 3 2 5 伸长m m 图7 定负荷拉伸结果 F i g 7 R e s u l to ft e n s i l eu n d e rac e r t a i nb a d 3 有限元分析结果与试验结果的比较 从图7 可知，在定负荷3 1 4 3 0 、3 7 7 3 0 、4 4 0 3 0 和5 0 2 6 0N 下，管状纺织复合材料的变形主要是由 零负荷增到定负荷时形成的，试验中拉伸停止时间 为1 0m i

25、n ，但瞬间负荷达到定值后，试样的伸长分别 为1 6 4 9 、2 0 1 4 、2 1 1 7 和2 3 0 5m m ，因试样的原长为 1 5 0m i l l ，解得试样在4 个定负荷点的应变分别为 1 0 9 9 、1 3 4 2 、1 4 1 1 和1 5 3 6 。 如果管状纺织复合材料的环向平均位移为口， 则其横截面周长增加量为 L = 2 兀口 ( 2 ) 管状纺织复合材料的原平均周长为 D ：2 一生竽) ( 3 ) 则管状纺织复合材料周长的应变，即定负荷试验中 管状纺织复合材料纬向的应变为 r P = ； ( 4 ) 把表l 中有限元分析的管状纺织复合材料环向 位移值与已知

26、的D l = 4 9 0m i l l ，D 2 = 4 8 4 4m m 代入 式( 2 ) 、( 3 ) 与( 4 ) ，得到管状纺织复合材料的纬向应 变分别为l O 8 5 、1 3 2 3 、1 4 3 7 与1 5 6 0 ，与 有限元模拟的环向应变值1 0 9 l 、1 3 3 1 、 1 4 4 5 、1 5 9 1 相比误差很小。有限元模拟值与 试验值的比较见图8 。当载荷较小时，定负荷拉伸 试验的弹性模量小于有限元分析时输入的弹性模 量，所以纬向应变的试验值稍大于模拟值，随着载荷 的增加，定负荷拉伸试验的弹性模量接近于有限元 分析时输入的弹性模量，由于有限元分析过程中没 有考

27、虑管状纺织复合材料的经向变形，因此有限元 模拟值稍大于试验值。整体看，纬向应变的有限元 模拟值与试验值有较好的吻合性。 莲 制 翻 逗 螗 内压I V P 8 图8 纬向应变试验值与模拟值的比较 F i g 8 C a l c u l a t i o nd a t ac o m p a r ew i t hs i m u l a t i o n d a t ao fs t r a i ni nc i r c l ed i r e c t i o n 4结语 翻衬时管状纺织复合材料在环向有一定的应力 与应变，管状纺织复合材料的强度要能够承受所受 到的应力，而翻衬压力引起的应变可增大管状纺织 复合

28、材料所修复管道的管径范围，而且也可以增加 对变形管道的适应性，减少褶皱。本文采用有限元 的方法对管状纺织复合材料受内压的应力应变情况 进行了分析，在管状纺织复合材料几何参数与材料 参数一定的情况下，给出不同压力值下修复管道的 管径范围，并通过定负荷拉伸试验对有限元模拟结 果进行了验证，说明模拟值与试验值比较吻合。通 过有限元分析，可使工程人员在设计阶段就能精确 地预测产品的技术性能，从而减少设计成本，缩短设 计和分析的循环周期，增加产品和工程的可靠性。 嘲 ( 下转第5 8 页) 湖 伽 姗 瑚 瑚 N ，撂锚 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchas

29、e from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 5 8 纺织学报 第2 9 卷 致，倾斜造成声波的折射和反射增加；随着预置压力 的增加，二次回波的声压振幅增大，厚度测量值逐渐 减小并趋于稳定，预置压力为8 0 和1 0 0N 时的测量厚 度值差异不明显。 。探头频率对测量值结果的影响不显著，主要影 响所测织物厚度的范围。随着试样厚度的增加，高 频率的探头逐渐看不到二次回波。因为使用高频率 的探头，声波在预制件中的衰减更严重，声波的穿透 能力差。实验表明，对于同样厚度的预制件，采用低 频探头和选择合适的压力更容易找到二次回波，所 测结果更为可靠。

30、 4 结论 1 ) 建立的超声波在线测厚系统和加压装置适用 于具有封闭横截面形状的异型三维编织预制件。 2 ) 用水做耦合剂，选用恰当的工作压力和探头 频率，A 型脉冲回波法完全可透射三维编织预制件， 能比较可靠地测得三维编织预制件的厚度信息。 3 ) 随着预压力的增加，三维编织预制件的厚度 值趋于稳定。 4 ) 在可测范围内，探头频率对测量值影响不明 显。荆 _ - - “一- - _ 一。日H ( 上接第5 4 页) 参考文献： 1 张淑洁，王瑞，张丽，等管状纺织复合材料生产工艺 及其性能探讨 J 纺织学报，2 0 0 6 ，2 7 ( 9 ) ：3 6 3 9 2 张朝晖A N S Y

31、S8 0 结构分析及实例解析 M 北京： 机械工业出版社，2 0 0 6 ：9 r 7 1 0 8 参考文献： 1 D uGW ，P o p p e rP ，C h o uTW A n a l y s i so f3 - Dt e x t i l e p e r f o r n m f o rm u l t i d i r e c t i o n a l r e i n f o r c e m e n t o f c o m p o s i t e s J 】JM a t e rS c i ，1 9 9 1 ，2 6 ( 1 3 ) ：3 4 3 8 3 4 4 8 2 “W ，H a m m

32、 n dM ，E l - S h i e k hA S t r u c t u r a la n a l y s i so f3 - D b r a i d e dp e r f o r m sf o rc o m p o s i t e s P a r tI ：t h ef o u r - s t e p p r e f o r m s J JT e x tI n s t ，1 9 9 0 ( 4 ) ：8 1 3 万振凯三维编织复合材料预制件厚度在线测量及 其不匀分析系统 J 纺织学报，2 0 0 0 ，2 1 ( 2 ) ：6 8 7 0 4 】 M o u r i t zAP ，T o

33、 w n s e n dc ，S h a J lK h a nMZ N o n - d e s t r u c t i v ed e t e c t i o no ff a t i g u ed d a g ei nt h i c kc o m p o s i t e s b yp I l I s e - e c h ou l t r a s o n i c s J 】C o m p o s i t e s S c i e n c ea n d T e c h n o l o g y ，2 0 0 0 ，6 0 ( 1 ) ：2 3 3 2 5 陈利，李嘉禄，李学明，等三维方型编织预制件的纱

34、线编织结构 J 】复合材料学报，2 0 0 0 ，1 7 ( 3 ) ：1 5 6 B r a y ，D o nE ，D o nM c B r i d e N o n d e s t r u c t i v et e s t i n g t e c h n i q u e s M N e wY o r k ：J o h nW i l e y & S o n si n c ，1 9 9 2 7 超声波探伤编写组超深波探伤 M 北京：电力工 业出版社，1 9 8 0 ：3 1 5 8 超声波探伤技术及探伤仪编写组超声波探伤技术 及探伤仪 M 北京：国防工业出版社，1 9 7 7 ：4 7 9 D

35、o nJB o t h U s i n gat r a n s d u c e ru l t r a s o n i ci n r i gm e t h o d t Oe l i m i n a t et h ee f f e c to ft h i c k n e s sv a r i a t i o ni nt h ei m a g e so f c e r a m i ca n dc o m p o s i t ep l a t e s J J J o u r n a lo fN o n d e s t r u c t i v e E v a l u a t i o n ，1 9 9 7 ，1 6 ( 2 ) ：1 0 1 1 2 0 3 张淑洁管道修复用管状纺织复合材料的研究 D 天 津：天津工业大学，2 0 0 7 4 】刘雄亚，晏石林复合材料制品设计及应用 M 北 京：化学工业出版社，2 0 0 6 ：3 4 3 6 5 郝元恺，肖加余高性能复合材料 M 北京：化学工 业出版社，2 0 0 4 ：7 0 7 3 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark