本发明专利技术提供一种多尺度复合材料油管的设计方法，其包含：通过材料数据库的学习与筛选，选取复合材料基体、复合材料颗粒增强体以及复合材料纤维增强体；基于宏观有限元模拟的基本思想，通过二维有限元模型对不同含量的复合材料颗粒增强体进行计算，确定复合材料颗粒增强体的最佳含量；在二维有限元模型的基础上，添加复合材料纤维增强体得到三维等效基体模型，并计算出三维等效基体模型的强度；在三维等效基体模型的基础上，铺设不同角度的长纤维进行有限元模拟计算后，得出最优长纤维铺设角。本发明专利技术颗粒和短纤维挤塑成型形成等效基体，铺设长纤维的多尺度增强复合材料油管，在满足设计要求时具有轻量化，满足在室温和200℃服役环境下长期使用。境下长期使用。境下长期使用。
【技术实现步骤摘要】
多尺度复合材料油管的设计方法及装置
[0001]本专利技术涉及管道设计
，具体地说，涉及一种多尺度复合材料油管的设计方法及装置。
技术介绍
[0002]我国金属管道在油田勘探开发、油气输送、炼油化工等领域应用比较广泛和成熟，已有95％以上实现了国产化。但是随着深井、恶劣地况环境的不断增加，以及输油气管道和炼油化工管道高压、高腐蚀的情况越来越多，腐蚀呈逐年加剧趋势，严重影响着环境及人身安全，传统金属已经不能满足应用要求。非金属及复合材料油管由于具有耐腐蚀、质量轻、综合成本低等特点，在油气输送中得到了越来越广泛的应用。非金属及复合材料油管在油气田的推广应用，不仅可以解决油田管网腐蚀问题，而且有助于缓解油田公司上游板块经营困境。复合材料油管在长期使用服役过程中不会像钢管那样出现腐蚀、锈蚀、结垢等而影响其正常使用。树脂基复合材料(Resin Matrix Composites)也称纤维增强塑料(Fiber Reinforced Plastics)是以有机聚合物为基体的纤维增强材料。
[0003]中国的树脂基复合材料始于1958年，先起于军工产品，而后逐渐扩展到民用。通过大量引进国外先进技术，发展相当迅猛。目前已经形成了从研究、设计、生产及原材料配套的完整工业体系。产品主要用于建筑、防腐、轻工、交通运输、石油化工、给排水工程、造船等工业领域。但其应用有高温高压油管的设计鲜有报道。
[0004]专利CN201710590329.1一种油气田使用的非金属油管制备方法，该方法制备出的聚乙烯非金属油管具有优异的力学性能、防腐性能、耐磨性能、热学性能，可以广泛应用于油气田，降低生产成本和维修成本，提高油气田生产效率，但是该方法未进行专业设计优化，在前期试验试制阶段难免造成大量浪费，及污染问题，且制造的非金属油管无法满足高温高压需求。
[0005]2013年哈尔滨工业大学硕士论文《纳米粒子、碳纤维增强聚酰亚胺复合材料制备及性能研究》，其在碳纤维/聚合物基复合材料中添加一定量的纳米颗粒来制备纳米颗粒/碳纤维/聚合物基复合材料，能够对界面产生良好的影响，从而提高复合材料的力学性能，但仅通过颗粒及碳纤维的二维增强，不足以满足严苛的服役条件，且没有在试验前期采用有限元模拟进行优化，极大的耗费了时间及成本。
[0006]因此，本专利技术提供了一种多尺度复合材料油管的设计方法及装置。
技术实现思路
[0007]为了延长油管的使用寿命和满足轻量化需求，使得竖井出油管能够在复杂服役条件下更长时间的高效工作，解决现有技术的问题，本专利技术提供了一种多尺度复合材料油管的设计方法，所述方法包含以下步骤：
[0008]通过材料数据库的学习与筛选，选取复合材料基体、复合材料颗粒增强体以及复合材料纤维增强体，所述复合材料纤维增强体包括短纤维和长纤维；
[0009]基于宏观有限元模拟的基本思想，通过二维有限元模型对不同含量的复合材料颗粒增强体进行计算，确定复合材料颗粒增强体的最佳含量；
[0010]在所述二维有限元模型的基础上，添加复合材料纤维增强体得到三维等效基体模型，并计算出所述三维等效基体模型的强度；
[0011]在所述三维等效基体模型的基础上，铺设不同角度的长纤维进行有限元模拟计算后，得出最优长纤维铺设角。
[0012]根据本专利技术的一个实施例，考虑复合材料基体与复合材料颗粒增强体以及复合材料纤维增强体之间的粘结性和热膨胀系数，保证复合材料基体、复合材料颗粒增强体以及复合材料纤维增强体间具有较好的粘结性和相近的热膨胀系数，使其受热时能够同步膨胀，减少应力开裂的可能性。
[0013]根据本专利技术的一个实施例，通过材料数据库的学习与筛选，确定双马来酰亚胺树脂作为复合材料基体，碳化硅颗粒作为复合材料颗粒增强体，碳纤维为复合材料纤维增强体。
[0014]根据本专利技术的一个实施例，通过高通量计算，确定了较佳的颗粒含量以及长纤维铺设角。
[0015]根据本专利技术的一个实施例，所述方法包含：
[0016]采用材料基因组的思想，对复合材料颗粒增强体的含量进行优化设计，绘制不同颗粒含量的所述二维有限元模型；
[0017]在有限元模拟计算的基础上，得出不同颗粒含量的应力应变曲线对比图，通过比较变化趋势得出复合材料颗粒增强体的最佳含量。
[0018]根据本专利技术的一个实施例，所述方法包含：
[0019]在所述二维有限元模型的基础上，绘制含有最佳含量复合材料颗粒增强体和最佳含量复合材料纤维增强体的所述三维等效基体模型；
[0020]在有限元模拟计算的基础上，得出结合复合材料颗粒增强体和复合材料纤维增强体的等效油管基体的抗拉强度、拉伸模量以及剪切模量。
[0021]根据本专利技术的一个实施例，所述方法包含：
[0022]在所述三维等效基体模型的基础上，绘制对应的等效基体油管模型；
[0023]在所述等效基体油管模型表层铺设预设层不同角度长纤维；
[0024]在有限元模拟计算的基础上，计算出铺设不同角度长纤维的应力应变曲线，通过对比结果得出最优方案。
[0025]根据本专利技术的一个实施例，当复合材料颗粒增强体含量为8％，添加20％复合材料纤维增强体形成等效基体，并铺设10层不同角度长纤维[
±
85/
±
15/60/
±
85/
±
15/
‑
60]后得到满足服役要求的复合材料油管。
[0026]根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种存储介质，其包含用于执行如上任一项所述的方法步骤的一系列指令。
[0027]根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种多尺度复合材料油管的设计装置，通过如上任一项所述的方法进行多尺度复合材料油管的设计，所述装置包含：
[0028]选取模块，其用于通过材料数据库的学习与筛选，选取复合材料基体、复合材料颗粒增强体以及复合材料纤维增强体，所述复合材料纤维增强体包括短纤维和长纤维；
[0029]二维模块，其用于基于宏观有限元模拟的基本思想，通过二维有限元模型对不同含量的复合材料颗粒增强体进行计算，确定复合材料颗粒增强体的最佳含量；
[0030]三维模块，其用于在所述二维有限元模型的基础上，添加复合材料纤维增强体得到三维等效基体模型，并计算出所述三维等效基体模型的强度；
[0031]铺设模块，其用于在所述三维等效基体模型的基础上，铺设不同角度的长纤维进行有限元模拟计算后，得出最优长纤维铺设角。
[0032]本专利技术提供的多尺度复合材料油管的设计方法及装置包含颗粒和短纤维挤塑成型形成等效基体，在此基础上铺设长纤维的多尺度增强复合材料油管，在满足设计要求时具有轻量化的性能。同时满足在室温和200℃服役环境下长期使用。并且，通过有限元模拟计算与优化，设计出了最优颗粒含量和最优长纤维铺设角度。
[0033]本专利技术的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种多尺度复合材料油管的设计方法，其特征在于，所述方法包含以下步骤：通过材料数据库的学习与筛选，选取复合材料基体、复合材料颗粒增强体以及复合材料纤维增强体，所述复合材料纤维增强体包括短纤维和长纤维；基于宏观有限元模拟的基本思想，通过二维有限元模型对不同含量的复合材料颗粒增强体进行计算，确定复合材料颗粒增强体的最佳含量；在所述二维有限元模型的基础上，添加复合材料纤维增强体得到三维等效基体模型，并计算出所述三维等效基体模型的强度；在所述三维等效基体模型的基础上，铺设不同角度的长纤维进行有限元模拟计算后，得出最优长纤维铺设角。2.如权利要求1所述的多尺度复合材料油管的设计方法，其特征在于，考虑复合材料基体与复合材料颗粒增强体以及复合材料纤维增强体之间的粘结性和热膨胀系数，保证复合材料基体、复合材料颗粒增强体以及复合材料纤维增强体间具有较好的粘结性和相近的热膨胀系数，使其受热时能够同步膨胀，减少应力开裂的可能性。3.如权利要求1所述的多尺度复合材料油管的设计方法，其特征在于，通过材料数据库的学习与筛选，确定双马来酰亚胺树脂作为复合材料基体，碳化硅颗粒作为复合材料颗粒增强体，碳纤维为复合材料纤维增强体。4.如权利要求1所述的多尺度复合材料油管的设计方法，其特征在于，通过高通量计算，确定了较佳的颗粒含量以及长纤维铺设角。5.如权利要求1所述的多尺度复合材料油管的设计方法，其特征在于，所述方法包含：采用材料基因组的思想，对复合材料颗粒增强体的含量进行优化设计，绘制不同颗粒含量的所述二维有限元模型；在有限元模拟计算的基础上，得出不同颗粒含量的应力应变曲线对比图，通过比较变化趋势得出复合材料颗粒增强体的最佳含量。6.如权利要求1所述的多尺度复合材料油管的设计方法，其特征在于，所述方法包含：在所述二维有限元模型的基础上，绘制含有最佳含量复合材料颗粒增强体和最佳含量复合材料纤维增强体的所述三维等效基体模型；在有...
【专利技术属性】
技术研发人员：张江江，曾文广，郭玉洁，刘斌，张志宏，陈苗，李芳，陈朝，石鑫，刘冬梅，陈彪，王磊磊，杜黎明，
申请(专利权)人：中国石油化工股份有限公司西北油田分公司，
类型：发明
国别省市：
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