复合软管一般是以加强骨架、合成树脂黏结剂和塑料制品经过一定的成型方法制作而成的新型管道。目前, 国外一些发达国家的复合软管工业已经发展得相当成熟, 已经广泛应用于化工、石油、城市建设等相关领域。但是由于复合软管结构的复杂性,导致无法对复杂工作环境下的复合软管的力学行为进行精确预测, 复合软管在使用过程中经常出现由于管内泄露, 端部脱扣甚至发生软管爆裂等质量问题。

本文提出了一种利用有限元法计算螺旋钢带弹性模量的方法, 解决了用传统的实验方法难以确定此类螺旋钢带弹性模量的问题。基于上述方法计算出的螺旋钢带的弹性模量, 对钢带缠绕增强塑料复合软管的单向拉伸、弯曲、扭转载荷下的力学性能进行了数值模拟分析。为了对数值模拟结果进行验证, 分别对复合软管进行单向拉伸、弯曲、扭转实验。

1. 1   钢带缠绕增强塑料复合软管的结构及相关参数

钢带缠绕增强塑料复合软管是由某公司研制的一种新型的钢塑复合软管。这种复合软管以高强度钢带螺旋缠绕形成增强体, 以高密度聚乙烯( PE- H D) 为基体, 并在钢带缠绕时施加预紧力, 使得外围的钢带与内部的PE- H D 管紧密地连接在一起。钢带缠绕增强塑料复合软管的内部结构共分为5 层, 包括内管、螺旋钢带、中层包覆、螺旋钢带、外层包覆。

1. 2   螺旋钢带弹性模量的确定

由于复合软管的螺旋钢带的厚度小于1mm , 而且采用双向螺旋缠绕结构, 导致其弹性模量低于常规结构低碳钢材料的弹性模量。因此, 需要对螺旋钢带的弹性模量进行重新确定。由于采用传统的实验方法不仅耗时长、成本高, 而且其精度难以得到保证, 因此本文采用耗时较少、成本较低且精度较高的数值模拟方法。

为了确定螺旋钢带的弹性模量, 本文特别设计了一种数值模拟方法, 其实验原理如下:

由材料力学可知, 单向拉伸实验的变形计算公式为：

Ol= Pl

      EA

式中  A — — — 材料的横截面积, m m2

P — — — 施加的拉力, N

l — — — 模型长度, mm

E — — — 材料的弹性模量, M Pa

Ol — — — 材料的伸长量, mm

由式 可以看出, 弹性模量( E) 越大, 钢带的拉伸变形越小。只要测出一定长度( l ) 的钢带在轴向力 P 的作用下的伸长量 Ol ( 弹性变形范围内) , 即可计算出钢带的弹性模量。

由式 可导出弹性模量计算公式:

E= Pl

      OLA

根据以上原理, 本文利用有限元计算软件 ANSYS 对螺旋钢带的弹性模量进行数值模拟计算。其有限元模型长度取 l= 350 mm , 横截面面积 A = 1580 mm²; 材料为低碳钢, 其力学性能参数为 E= 2. 1 × 105 M Pa, 泊松比 E= 0. 3; 采用shell181 单元进行自由网格划分, 其单元数为 13808, 节点数 36137, 该单元是 4 节点单元,每个节点拥有 6 个自由度, 适用于线性、大转动、大应等非线性问题的求解。

由于各层钢带之间相互接触，为了使模拟更加接近实际，提高计算精度，在每一层螺旋钢带之间均加入面面接触单元，其中，目标面为TAGE170单元，接触面为CONTA174单元。6层螺旋钢带共有5个接触曲面，划分13203个接触单元。

1.   复合软管的力学性能数值模拟

2.1  材料参数及有限元模型

复合软管的整体结构主要采用低碳钢及 P E- H D 制成, 内管、中层包覆、外层包覆均为 P E- H D, 其弹性模量 E= 108 MPa, 泊松比 E= 0. 4; 复合软管中, 螺旋钢带的弹性模量已由本文前述计算得出, 即 E =0. 7 × 10⁵ M Pa, 泊松比 E=  0. 3。为减小模拟计算误差, 在建立钢带螺旋缠绕增强复合软管的整体模型时, 严格按照该复合软管的设计结构及其外形尺寸精确建立, 选择solid 186 单元作为内管、中层包覆、外层包覆模型的单元, 选择shell 181 单元作为螺旋钢带的单元。

网格划分过程中, 内管、中层包覆、外层包覆采用映射网格划分; 螺旋钢带采用自由网格划分。该有限元模型将用于复合软管的单向拉伸、弯曲、扭转的力学性能数值模拟。

2. 2    复合软管单向拉伸数值模拟及实验验证

2. 2. 1 单向拉伸数值模拟的边界条件

为了保证单向拉伸计算结果的准确性, 在施加边界条件时, 尽量选择与实际情况相一致的边界条件。具体做法如下:

(1)考虑软管各层之间的接触作用, 除上述计算弹性模量时, 在各层钢带之间加入接触单元外, 在软管整体结构中的塑料管与钢带之间也引入了面面接触单元, 目标面为 TARGE170 单元, 接触面为 CON TA 174 单元。并综合考虑单元厚度、时间步长、法向接触刚度以及接触容差因子等因素对计算结果的影响, 选择出一组最为合理的参数组合;

(2)为了模拟软管的固定情况, 将模型一端所有节点的自由度全部约束;

(3) 在模型的另一端施加沿轴线方向的均布载荷。

2. 2. 2     单向拉伸模拟结果分析及验证

选取复合软管内部各层中间位置截面全载荷步的变形响应曲线。 复合软管在单向拉伸载荷作用下, 其内部各层的变形响应趋势基本一致, 符合单向拉伸的变形规律; 由P E- H D制成的内管( H DPE_layer1) 、中层包覆( H DPE_lay er2) 和外层包覆( HDPE_layer3) 的变形比由多层钢带螺旋缠绕制成的螺旋钢带( Steel_i1~ i6) 及( Steel_ii1~ ii2) 的变形小, 这说明复合软管内部各层所使用的材料不同会导致其抗拉刚度有所差异; 此外同种材料制成的不同层之间的变形也有所不同, 如: 同为 PE-H D 的内管、中层包覆、外层包覆, 横截面积较小的内管变形较大; 而横截面积较大的外层包覆变形较小。这说明同种材料各层的抗拉刚度还与其横截面积的大小有关。

为了验证复合软管单向拉伸模拟结果, 选用该型号的复合软管进行单向拉伸实验。使用拉力试验机对复合软管加载, 记录符合软管端部的变形值复合软管整体结构的端部模拟计算的载荷—变形曲线与实验结果的对比图。 复合软管在轴向拉力载荷作用下,变形比较均匀, 计算值与实验值相比其平均误差仅为 4. 81 % , 计算结果与实验结果吻合程度较高, 数值模拟结果和实验结果趋势基本一致。

2.  3    弯曲与扭转数值模拟结果分析及实验验证

除单向拉伸载荷的数值模拟之外, 还对模型施加了弯曲及扭转载荷, 其有限元模型的处理方法同上, 鉴于篇幅所限, 仅给出载荷— 变形曲线的模拟结果与实验结果对比。

 弯曲载荷数值模拟结果与实验结果基本吻合, 除第二载荷步计算误差较大以外, 其余载荷步计算误差均比较小, 数值模拟结果和实验结果趋势基本一致。说明本文所采用的数值模拟方法能够较好地预测复合软管在弯曲载荷下的变形情况。

扭转载荷数值模拟结果与实验结果的趋势基本一致, 其中除第 9 至第 18 载荷步的结果与实验结果误差相对较大外, 其他载荷步的结果与实验结果误差均较小。这是由于为了保证数值模拟计算结果比较容易收敛, 在给定材料的本构模型时, 只考虑其线弹性阶段的本构模型所致。

3.   结论

( 1) 通过结果分析以及与实验结果的对比, 证明有限元法可以较好地模拟钢带缠绕增强塑料复合软管在单向拉伸, 弯曲及扭转载荷作用下的变形, 并且说明本文所采用的数值模拟方法能够较好地预测软管的变形情况;

( 2) 采用有限元法模拟钢带缠绕增强塑料复合软管单向拉伸、弯曲、扭转实验的精度较高、成本较小, 避免了大量重复性的实验。