一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法
【技术领域】
[0001] 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】
[0002] 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】
[0003] 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。
[0004] 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：
[0005] 1)根据实际工况确定复合材料管的铺层方式；
[0006] 2)根据强度要求，确定各铺层角度对应的层数；具体如下：
[0007] 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：
[0009] 11_为结构所受最大弯矩，D为管材平均直径，[0 ]为轴向许用拉伸强度和许用压 缩强度之间的较小值。
[0010] 2. 2)确定轴向许用拉伸/压缩强度；轴向许用拉伸/压缩强度[0 J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 ;
[0012] 其中，〇xl为单层轴向拉伸/压缩强度，n为总层数。
[0013] 2. 3)初步确定各层层数Ii1, n2，…n;，总层数n =叫+]!；；+…]^;由单层厚度和总层数 可计算壁厚t。
[0014] 2. 4)确定单层轴向拉伸/压缩强度；〇 X1计算方法如下：
[0015] 〇 xi= 〇Hcos2 0； (3)
[0016] 其中，〇 H为第i层沿纤维方向的拉伸或压缩强度，0i为第i层铺层角度；
[0017] 2. 5)取轴向许用拉伸/压缩强度[0J中的较小值作为[0 ];
[0018] 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；
[0019] 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；
[0020] 具体如下：
[0021] 3. 1)根据稳定性要求可知壁厚t满足：
[0032] E11为第i层沿纤维方向的弹性模量、E21为第i层垂直纤维方向的弹性模量，G121 为第i层的剪切模量；
[0033] 3. 3)确定第i层主泊松比；Vxyi的计算方法如下：
[0035] 其中，G121为第i层的剪切模量，V121为第i层的泊松比；
[0036] 3. 4)校核计算式（4)是否成立。若成立，则认定此铺层角度及所对应的层数同时 满足强度要求及稳定性要求，为合理铺层方式；若不成立，重新确定各层层数I^n2，…Ii1，直 至式⑴和式⑷均成立。
[0037] 4)选取具有大极限应变的树脂基体和增强纤维，采用缠绕成型或拉绕成型进行制 备。
[0038] 按上述方案，所述步骤1)中确定铺层方式需遵循以下原则：铺层的确定需遵循 原则包括：极限应变小的缠绕铺层置于内层，极限应变大的缠绕铺层置于外层，由内而外， 极限应变依次增大；环向层极限应变最小，但是在铺层设计中不可忽略；极限应变相差较 大的铺层需避免相邻布置，相邻铺层之间的极限应变应接近；环向层不宜置于最内层，考虑 到环向层易产生裂纹，需将其置于具有大极限应变的缠绕铺层之间以抑制裂纹扩展；最外 层铺层应满足使用工况，并且要求极限应变最大。
[0039] 按上述方案，所述的具有大极限应变的树脂基体包括热固性树脂和热塑性树脂基 体，选取环氧树脂、乙烯基酯树脂、不饱和聚酯树脂、呋喃树脂、氰酸酯树脂、聚芳醚酮、聚醚 醚酮中的一种或几种。增强纤维包括玻璃纤维、碳纤维、Kevlar纤维、石英纤维、超高分子 量聚乙烯纤维、玄武岩纤维中的一种或几种。
[0040] 按上述方案，所述步骤4)中若存在小于15°角度铺层，则采用拉绕成型或缠绕成 型结合手工铺放进行制备。
[0041] 本发明产生的有益效果是：
[0042] 1.选用特定的铺层设计，使管材发生大弯曲变形而不发生破坏，其外层轴向应变 可达到5 %。
[0043] 2.采用简化计算模型计算管材的最小壁厚，避免求解复杂的微积分方程。
[0044] 3.制备工艺简单，易于实施。
【附图说明】
[0045] 下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
[0046] 图1是一种复合材料管的结构图；
[0047] 图2是弯曲变形时不同铺层处轴向应变分布图；
[0048] 图3是管材铺层角示意图；
[0049] 图4是本发明实施例的方法流程图。
【具体实施方式】
[0050] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明 进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限 定本发明。
[0051] 本发明提供的大弯曲变形复合材料管结构如图1所示，依本发明的技术方案，大 弯曲变形复合材料管具体的设计及制备方法按以下步骤进行，如图4 :
[0052] 1)依照铺层的确定需遵循原则进行铺层角度的设定。根据实际工况确定铺层方 式；铺层的确定需遵循原则包括：极限应变小的缠绕铺层置于内层，极限应变大的缠绕铺 层置于外层，由内而外，极限应变依次增大（如图2所示）；环向层极限应变最小，但是在铺 层设计中不可忽略；极限应变相差较大的铺层需避免相邻布置，相邻铺层之间的极限应变 应接近；环向层不宜置于最内层，考虑到环向层易产生裂纹，需将其置于具有大极限应变的 缠绕铺层之间以抑制裂纹扩展；最外层铺层应满足使用工况，并且要求极限应变最大。
[0053] 2)根据实际工况确定受力情况，从而计算截面所受弯矩大小。通过截面弯矩初步 确定强度要求下的铺层方式及各层层数：
[0054] 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：
[0056] 11_为结构所受最大弯矩，D为管材平均直径，[0 ]为轴向许用拉伸强度和许用压 缩强度之间的较小值。
[0057] 2.确定轴向许用拉伸/压缩强度；轴向许用拉伸/压缩强度[0J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 ;
[0059] 其中，〇 X1为单层轴向拉伸/压缩强度，n为总层数。
[0060] 3.初步确定各层层数Ii1, n2，…n;，总层数n = 由单层厚度和总层数可 计算壁厚t。
[0061] 4.确定单层轴向拉伸/压缩强度；〇 X1计算方法如下：
[0062] 〇 xi= 〇Hcos2 0； (3)
[0063] 其中，〇 H为第i层沿纤维方向的拉伸或压缩强度，0 i为第i层铺层角度；
[0064] 5.取轴向许用拉伸/压缩强度[0J中的较小值作为[0 ];
[0065] 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；