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连续管(CT)是石油开采设备中的关键部件,通常缠绕在大直径卷筒上,长度一般在几百米到几千米之间。复合材料应用于CT有利于降低结构重量,提高耐腐蚀性能及疲劳性能。CT在工程中的应用,要求其具备良好的弯曲性能,热固性复合材料制品存在脆性大、延伸率低的缺点。针对上述问题,本文围绕复合材料管的缠绕角度、屈曲特性、破坏特征、典型铺层等方面进行了研究,对影响复合材料管弯曲性能的因素进行了分析,为弯曲变形复合材料管的设计以及大延伸率、非脆性断裂制品的研制提供了理论依据。主要研究内容如下:
采用中温固化环氧树脂体系,运用真空辅助树脂传递模塑工艺制备了不同铺层角度的对称均匀层合板,并通过拉伸性能测试,研究铺层角度对延伸率的影响;采用缠绕成型工艺制备不同铺层角度、径厚比的试样,采用四点弯曲性能测试,对影响制品弯曲性能的因素进行研究,并观察断口破坏特征。利用ABAQUS有限元分析软件,运用最大应力准则和Tsai-Wu张量准则预测失效弯矩。在线性特征值屈曲分析基础上,利用RIKS算法完成非线性分析,并与实际结果作对比。具体研究结果如下:
±45°均衡层合板断裂应变及许用应变最大,当铺层角度大于45°时,随着角度的增加,许用应变迅速下降。
±45°缠绕试样具有最大的断裂延伸率和曲率半径,进行柔性复合材料管制备时,首选缠绕角度为±45°,并且缠绕角度要避免大于45°。
不同的缠绕角度和径厚比对缠绕管失效形式有较大影响:当径厚比一定,随着缠绕角度的增大,缠绕管由于材料达到极限应变而失效。反之,缠绕角度越小,在达到极限应变之前将发生屈曲失效;缠绕角度一定时,随着径厚比的增大,缠绕管由极限应变失效转变为屈曲失效。
大角度缠绕能够对屈曲破坏起抑制作用,在制品铺层设计中引入大角度铺层,可以提高缠绕管弯曲变形能力。
将极限应变小的置于内层,极限应变大的置于外层,由内而外,极限应变依次增大,有利于提高整体弯曲变形能力。但是,不能将环向铺层置于最内层,应将其置于具有较大极限应变的铺层之间。