[发明专利]一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及材料管制备技术领域，尤其涉及一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法。

背景技术

树脂基复合材料由于具有比强度高、耐腐蚀性能好、疲劳性能优良、性能可设计性等特点而广泛应用于一般工业中。美国Fiberspar公司推出的复合材料大直径柔性管,可以用于酸性或湿气、油、多相流等多种条件，并可以用于高压水或CO₂注入。静置时缠绕在卷轴上，卷轴直径2～3m，发生大弯曲变形。美国Conoco公司在远离非洲西海岸的一些海上油田大量安装了GRP水处理管线，包括消防用水管和低压注水管。Exxon公司在墨西哥湾的海上平台注水系统中安装了FRP管，Amoco及其它石油公司对于FRP管在北海油田应用也进行了积极尝试。在这些应用中，复合材料管无一例外发生一定程度的弯曲变形。传统的金属材料耐腐蚀性能、疲劳性能差，不能满足严苛工作环境中的使用要求；树脂基复合材料兼有力学性能优良、环境适应性好的优点，适合制备工作环境恶劣的构件。大弯曲变形复合材料管受力条件苛刻，传统的复合材料设计不能满足其性能要求。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺陷，提供一种大弯曲变形复合材料管的设计及制备方法，该设计方法设计的大弯曲变形复合材料管满足在使用时发生大弯曲变形的要求；并且，该复合材料管的制备方法简单，易于实施。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法，包括以下步骤：

1)根据实际工况确定复合材料管的铺层方式；

2)根据强度要求，确定各铺层角度对应的层数；具体如下：

2.1)取复合材料轴向许用拉伸强度和许用压缩强度之间的较小值，计算壁厚t,其中t满足：

M_max为结构所受最大弯矩，D为管材平均直径，[σ]为轴向许用拉伸强度和许用压缩强度之间的较小值。

2.2)确定轴向许用拉伸/压缩强度；轴向许用拉伸/压缩强度[σ₁]为各个单层轴向强度的线性迭加，并引入各铺层的共同工作折减系数c；

其中，σ_xi为单层轴向拉伸/压缩强度，n为总层数。

2.3)初步确定各层层数n₁,n₂,…n_i，总层数n＝n₁+n₂+…n_i；由单层厚度和总层数可计算壁厚t。

2.4)确定单层轴向拉伸/压缩强度；σ_xi计算方法如下：

σ_xi＝σ_1icos²θ_i (3)

其中，σ_1i为第i层沿纤维方向的拉伸或压缩强度，θ_i为第i层铺层角度；

2.5)取轴向许用拉伸/压缩强度[σ₁]中的较小值作为[σ]；

2.6)若步骤2.3)中的计算结果壁厚t使式(1)成立，则记录此时的铺层角度及各层层数；若式(1)不成立，则重新确定各层层数及铺层角度，直至式(1)成立；

3)校核强度要求所确定的壁厚t是否同时满足稳定性要求；

具体如下：

3.1)根据稳定性要求可知壁厚t满足：

其中，ν_xy、ν_yx为泊松比，计算方法如下：

其中，ν_xyi为第i层主泊松比；

3.2)确定轴向及环向模量E_x、E_y，计算方法如下：

E_xi、E_yi分别为第i层的轴向及环向弹性模量；

其中，E_xi、E_yi的计算方法如下：

E_1i为第i层沿纤维方向的弹性模量、E_2i为第i层垂直纤维方向的弹性模量，G_12i为第i层的剪切模量；

3.3)确定第i层主泊松比；ν_xyi的计算方法如下：