一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法技术

本发明专利技术公开了一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，属于热塑性复合管技术领域。本发明专利技术的复合管为三层结构，内衬层为热塑性树脂、中间为纤维增强层、外层为热塑性树脂，研究复合管中三层材料的相关性能参数及温度对复合管的应力应变关系的影响，从而得到复合管热膨胀系数与各独立组分热膨胀系数的关系，建立复合管热膨胀系数的预测模型。本发明专利技术采用了以上技术方案，可根据复合管三层结构中各材料的热膨胀系数、拉伸弹性模量、泊松比、体积分数、缠绕角度及厚度等参数，方便准确的预测复合管的热膨胀系数。

【技术实现步骤摘要】
一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法
本专利技术涉及热塑性管道
，具体涉及一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法。
技术介绍
热膨胀系数是复合管道在安装过程中需要考虑的热性能之一，在复合管应用过程中，其热胀冷缩性能对管道的长度设计有很重要的影响，尤其是管道长度过大时，需要在管道连接处设计伸缩节，来调整管道安装时因长度的变化而引起的管道破坏现象。复合管的增强层厚度可根据管道工作压力的使用要求进行设计，从而其缠绕角度也可以发生对应的变化，缠绕角度发生变化，其热膨胀系数就发生相应的变化。目前已公开的文献中关于缠绕玻璃钢管道的热膨胀系数分析方法，该方法是用来预测全复合结构，相当于本专利技术专利中的增强层，并不包含内外塑料层的多层复合管结构。因此，建立一种方便的多层复合管热膨胀系数预测方法，可以减轻复合管设计人员工作量，对于控制复合管的破坏具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术中存在的不足，本专利技术的目的在于提供一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法。本专利技术的技术方案如下：一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其中热塑性复合管包括热塑性树脂内衬层、纤维增强层及热塑性树脂外层，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：确定增强层纤维带缠绕方向的热膨胀系数：其中：α1为增强层纤维缠绕方向的热膨胀系数，αf为增强层纤维的热膨胀系数，Ef为增强层纤维的拉伸弹性模量，vf为增强层纤维的体积分数；αm为增强层树脂的热膨胀系数，Em为增强层树脂的拉伸弹性模量，vm为增强层树脂的体积分数；步骤2)：由上式(1)确定增强层与纤维带缠绕垂直的方向热膨胀系数：α2＝vf(1+vf)αf+vm(1+vm)αm-(vfvf+vmvm)α1(2)其中：α2为增强层与纤维缠绕垂直的方向热膨胀系数，vf为纤维的泊松比，vm为热塑性树脂的泊松比；步骤3)：由上式(1)、(2)确定复合管增强层和内外塑料层的热应力：增强层沿着纤维缠绕方向单位温差热应力为：增强层垂直纤维缠绕方向单位温差热应力为：其中v1为纤维带沿着纤维方向的泊松比，v2为纤维带垂直纤维方向的泊松比，E1为纤维带沿着纤维方向的拉伸弹性模量，E2为纤维带垂直纤维方向的拉伸弹性模量；复合管增强层轴向热应力为：Rx＝R1m2+R2n2(5)复合管增强层横向热应力为：Ry＝R1n2+R2m2(6)其中m＝cosθ,n＝sinθ，θ为增强层缠绕方向角。复合管内衬层的热应力为：复合管外层的热应力为：其中vn为复合管内衬层塑料的泊松比，vw为复合管外层塑料的泊松比，αn为复合管内衬层塑料的热膨胀系数，αw为复合管外层塑料的热膨胀系数，En为复合管内衬层塑料的拉伸弹性模量，Ew为复合管外层塑料的拉伸弹性模量。步骤4)：确定复合管增强层偏轴刚度矩阵及复合管内外层刚度矩阵：复合管增强层偏轴刚度矩阵表达式为：增强层偏轴刚度矩阵与正轴刚度矩阵关系为：G12为复合管增强层层间剪切模量；复合管内衬层刚度矩阵为：复合管外层刚度矩阵为步骤5)：确定复合管轴向热膨胀系数：其中：Aij为复合管(包含内衬层、增强层和外层)拉伸刚度矩阵；k为复合管内衬层、增强层各单层及外层。Nx为复合管(包含内衬层、增强层和外层)轴向热应力，Ny为复合管(包含内衬层、增强层和外层)横向热应力。tk为第k层厚度，包括复合层各单层以及内衬层和外层塑料层。所述的一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其特征在于，所述纤维增强层中纤维带采用的增强材料为连续玻璃纤维、连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续钢纤维或连续聚酯纤维。所述的一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其特征在于，所述复合管增强层、内衬层及外层所用的热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚偏二氟乙烯。所述的一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其特征在于，所述复合管增强层中纤维体积含量为0.5-100％。本专利技术的有益效果是：通过以上技术方案，可根据复合管三层结构中各材料的热膨胀系数、拉伸弹性模量、泊松比、体积分数、缠绕角度及厚度等参数，准确的预测复合管的热膨胀系数，防止管道在安装过程中的因长度的变化而引起的管道破坏现象，提高了管道在安装过程中的可靠性。具体实施方式下面对本专利技术作进一步的描述，但本专利技术的保护范围并不仅限于此。本专利技术的复合管为三层结构，内衬层为热塑性树脂、中间为纤维增强层、外层为热塑性树脂，研究复合管中三层材料的相关性能参数及温度对复合管的应力应变关系的影响，从而得到复合管热膨胀系数与各独立组分热膨胀系数的关系，建立复合管热膨胀系数的预测模型。本专利技术采用了以上技术方案，可根据复合管三层结构中各材料的热膨胀系数、拉伸弹性模量、泊松比、体积分数、缠绕角度及厚度等参数，方便准确的预测复合管的热膨胀系数。一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其中热塑性复合管包括热塑性树脂内衬层、纤维增强层及热塑性树脂外层，包括以下步骤：步骤1)：确定增强层纤维带缠绕方向的热膨胀系数：其中：α1为增强层纤维缠绕方向的热膨胀系数，αf为增强层纤维的热膨胀系数，Ef为增强层纤维的拉伸弹性模量，vf为增强层纤维的体积分数；αm为增强层树脂的热膨胀系数，Em为增强层树脂的拉伸弹性模量，vm为增强层树脂的体积分数；步骤2)：由上式(1)确定增强层与纤维带缠绕垂直的方向热膨胀系数：α2＝vf(1+vf)αf+vm(1+vm)αm-(vfvf+vmvm)α1(2)其中：α2为增强层与纤维缠绕垂直的方向热膨胀系数，vf为纤维的泊松比，vm为热塑性树脂的泊松比；步骤3)：由上式(1)、(2)确定复合管增强层和内外塑料层的热应力：增强层沿着纤维缠绕方向单位温差热应力为：增强层垂直纤维缠绕方向单位温差热应力为：其中v1为纤维带沿着纤维方向的泊松比，v2为纤维带垂直纤维方向的泊松比，E1为纤维带沿着纤维方向的拉伸弹性模量，E2为纤维带垂直纤维方向的拉伸弹性模量；复合管增强层轴向热应力为：Rx＝R1m2+R2n2(5)复合管增强层横向热应力为：Ry＝R1n2+R2m2(6)其中m＝cosθ,n＝sinθ，θ为增强层缠绕方向角。复合管内衬层的热应力为：复合管外层的热应力为：其中vn为复合管内衬层塑料的泊松比，vw为复合管外层塑料的泊松比，αn为复合管内衬层塑料的热膨胀系数，αw为复合管外层塑料的热膨胀系数，En为复合管内衬层塑料的拉伸弹性模量，Ew为复合管外层塑料的拉伸弹性模量。步骤4)：确定复合管增强层偏轴刚度矩阵及复合管内外层刚度矩阵：复合管增强层偏轴刚度矩阵表达式为：增强层偏轴刚度矩阵与正轴刚度矩阵关系为：G12为复合管增强层层间剪切模量；复合管内衬层刚度矩阵为：复合管外层刚度矩阵为步骤5)：确定复合管轴向热膨胀系数：其中：Aij为复合管(包含内衬层、增强层和外层)拉伸刚度矩阵；k为复合管内衬层、增强层各单层及外层。Nx为复合管(包含内衬层、增强层和外层)轴向热应力，Ny为复合管(包含内衬层、增强层和外层)横向热应力。tk为第k层厚度，包括复合层各单层以及内衬层和外层塑料层。纤维增强层中纤维带采用的增强材料为连续玻璃纤维、连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续钢纤维或连续聚酯纤维。复合管增强层、内衬层及外层所用的热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚偏二氟乙烯。复合管增强层中纤维体积含量为0.5-100％。该复合管热膨胀系数的预测方法考虑了各层组分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其中热塑性复合管包括热塑性树脂内衬层、纤维增强层及热塑性树脂外层，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：确定增强层纤维带缠绕方向的热膨胀系数：

【技术特征摘要】
1.一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其中热塑性复合管包括热塑性树脂内衬层、纤维增强层及热塑性树脂外层，其特征在于，包括以下步骤：步骤1)：确定增强层纤维带缠绕方向的热膨胀系数：其中：α1为增强层纤维缠绕方向的热膨胀系数，αf为增强层纤维的热膨胀系数，Ef为增强层纤维的拉伸弹性模量，vf为增强层纤维的体积分数；αm为增强层树脂的热膨胀系数，Em为增强层树脂的拉伸弹性模量，vm为增强层树脂的体积分数；步骤2)：由上式(1)确定增强层与纤维带缠绕垂直的方向热膨胀系数：α2＝vf(1+vf)αf+vm(1+vm)αm-(vfvf+vmvm)α1(2)其中：α2为增强层与纤维缠绕垂直的方向热膨胀系数，vf为纤维的泊松比，vm为热塑性树脂的泊松比；步骤3)：由上式(1)、(2)确定复合管增强层和内外塑料层的热应力：增强层沿着纤维缠绕方向单位温差热应力为：增强层垂直纤维缠绕方向单位温差热应力为：其中v1为纤维带沿着纤维方向的泊松比，v2为纤维带垂直纤维方向的泊松比，E1为纤维带沿着纤维方向的拉伸弹性模量，E2为纤维带垂直纤维方向的拉伸弹性模量；复合管增强层轴向热应力为：Rx＝R1m2+R2n2(5)复合管增强层横向热应力为：Ry＝R1n2+R2m2(6)其中m＝cosθ,n＝sinθ，θ为增强层缠绕方向角。复合管内衬层的...

【专利技术属性】
技术研发人员：周正伟，陆国强，武书河，黄咸伟，高莉，冯金茂，
申请(专利权)人：浙江伟星新型建材股份有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33