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

本发明专利技术公开了一种具有大弯曲变形的复合材料管的设计及制备方法，该方法包括以下步骤：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；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；4）若满足稳定性要求，则确认铺层角度及层数合理；反之，重新确定各铺层角度对应的层数；5）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。本发明专利技术方法提供了一种弯曲性能优异的复合材料管的设计及制备方法，以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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料管制备
，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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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。 本专利技术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： 11_为结构所受最大弯矩，D为管材平均直径，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[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 ; 其中，〇xl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Ii1, n2，…n;，总层数n =叫+]!；；+…]^;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；〇 X1计算方法如下： 〇 xi= 〇Hcos2 0； (3) 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； 2. 5)取轴向许用拉伸/压缩强度; 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： 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； 3. 3)确定第i层主泊松比；Vxyi的计算方法如下： 其中，G121为第i层的剪切模量，V121为第i层的泊松比； 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。 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。 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。 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。 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。 本专利技术产生的有益效果是： 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 %。 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。 3.制备工艺简单，易于实施。【附图说明】 下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明，附图中： 图1是一种复合材料管的结构图； 图2是弯曲变形时不同铺层处轴向应变分布图； 图3是管材铺层角示意图； 图4是本专利技术实施例的方法流程图。【具体实施方式】 为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本专利技术 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专利技术，并不用于限 定本专利技术。 本专利技术提供的大弯曲变形复合材料管结构如图1所示，依本专利技术的技术方案，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 : 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。 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： 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： 11_为结构所受最大弯矩，D为管材平均直径，为轴向许用拉伸强度和许用压 缩强度之间的较小值。 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 ; 其中，〇 X1为单层轴向拉伸/压缩强度，n为总层数。 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。 4.确定单层轴向拉伸/压缩强度；〇 X1计算方法如下： 〇 xi= 〇Hcos2 0； (3) 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； 5.取轴向许用拉伸/压缩强度; 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；...

【技术保护点】
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：Mmax≤14πtD2[σ]---(1)]]>Mmax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；[σ1]=c×Σi=1nσxi/n---(2)]]>其中，σxi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,…ni，总层数n＝n1+n2+…ni；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；σxi计算方法如下：σxi＝σ1icos2θi       (3)其中，σ1i为第i层沿纤维方向的拉伸或压缩强度，θi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：Mmax≤29πDt2ExEy1-νxyνyx---(4)]]>其中，νxy、νyx为泊松比，计算方法如下：νxy=Σi=1nνxyi/n;ExEy=νxyνyx---(5)]]>其中，νxyi为第i层主泊松比；3.2)确定轴向及环向模量Ex、Ey，计算方法如下：Ex=c×Σi=1nExi/n;Ey=c×Σi=1nEyi/n---(6)]]>Exi、Eyi分别为第i层的轴向及环向弹性模量；其中，Exi、Eyi的计算方法如下：1Exi=cos4θiE1i+(1G12i-2μ12iE1i)sin2θicos2θi+sin4θiE2i---(7)]]>1Eyi=sin4θiE1i+(1G12i-2μ12iE1i)sin2θicos2θi+cos4θiE2i---(8)]]>E1i为第i层沿纤维方向的弹性模量、E2i为第i层垂直纤维方向的弹性模量，G12i为第i层的剪切模量；3.3)确定第i层主泊松比；νxyi的计算方法如下：νxyi=Exi[ν12iE1i(sin4θi+cos4θi)-(1E1i+1E2i-1G12x)sin2θicos2θi]---(9)]]>其中，G12i为第i层的剪切模量，ν12i为第i层的泊松比；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n1,n2,…ni，直至式(1)和式(4)均成立；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。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王钧，王俊鹏，蔡浩鹏，王翔，徐任信，段华军，杨小利，叶园，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42