一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法技术

本发明专利技术涉及一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，包括，S1，构建各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵；S2，设置循环体；S3，基于均质化的受力分析方法，根据材料柔度矩阵分析出在当前载荷下各铺层的应力分布；S4，基于失效准则，分析出失效位置及失效模式；S5，基于主导失效模式的刚度退化模型对材料柔度矩阵进行刚度退化；S6，逐步增大当前载荷并根据刚度退化后的材料柔度矩阵循环执行S3至S5。本发明专利技术极大地简化了纤维增强柔性管的应力分析过程，不需要求解应力函数，避开了应力函数矩阵奇异、应力公式复杂等缺点；同时可以准确预测海洋纤维增强柔性管的渐进失效过程及极限承载能力。

【技术实现步骤摘要】
一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法
本专利技术涉及海洋工程
，具体涉及一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法。
技术介绍
海洋柔性管具有运输速度快，成本低，安全性好，效率高的优点，是海上油气资源开发的关键装备。和传统钢制管道及非粘结柔性管相比，海洋纤维增强柔性管具有较好的抗腐蚀能力和抗压能力、良好的热传导性能、高刚度质量比以及便于安装和维护等优点，在海洋工程领域被认为具有良好的应用前景。这些优点主要在于海洋纤维增强柔性管特殊的铺层结构。海洋纤维增强柔性管具有三层结构，包括内衬层、复合材料铺层和外保护层。三层结构粘结成为一个整体，不存在层间摩擦和滑移。其中，内衬层和外保护层通常由均质材料制成，比如高密度聚乙烯(PE)，聚酰胺树脂(PA)，聚偏氟乙烯(PVDF)。它们的作用主要是防止内外液体环境对复合材料铺层产生侵蚀作用。复合材料铺层作为主要承力层，通常由玻纤带、碳纤带或PEEK纤维带以一定的角度缠绕铺设而成。正是海洋纤维增强柔性管具有多种材料、多种铺设角度、多层铺设的形式，导致其在各类载荷下的应力分布情况极其复杂，这给管道的本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：包括以下步骤，/nS1，构建海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵；/nS2，设置循环体的起始载荷、载荷增量和终止载荷；/nS3，基于均质化的受力分析方法，根据所述材料柔度矩阵，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，其中所述当前载荷的初始值为所述起始载荷；/nS4，基于失效准则，根据在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的失效位置及失效模式；/nS5，基于主导失效模式的刚度退化模型对所述材料柔度矩阵进行刚度退化，得到...

【技术特征摘要】
1.一种海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：包括以下步骤，
S1，构建海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵；
S2，设置循环体的起始载荷、载荷增量和终止载荷；
S3，基于均质化的受力分析方法，根据所述材料柔度矩阵，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，其中所述当前载荷的初始值为所述起始载荷；
S4，基于失效准则，根据在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的应力分布，分析出在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层的失效位置及失效模式；
S5，基于主导失效模式的刚度退化模型对所述材料柔度矩阵进行刚度退化，得到刚度退化后的所述材料柔度矩阵；
S6，将刚度退化后的所述材料柔度矩阵反馈至所述S3，并在所述S3中根据所述载荷增量逐步增大所述当前载荷；基于刚度退化后的所述材料柔度矩阵和逐步增大的所述当前载荷循环执行所述S3至所述S5，直至逐步增大的所述当前载荷达到所述终止载荷为止，完成海洋纤维增强柔性管的渐进失效过程及极限承载能力分析。


2.根据权利要求1所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：所述S1具体为，根据所述海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力和应变关系，构建海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵；
具体的，海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的应力和应变关系表示为，



其中，C为海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵，σ1为纤维方向的主应力，σ2为纤维面内切向的主应力，σ3为纤维面外切向的主应力，τ23为与纤维方向垂直平面的切应力，τ13为与纤维方向平行的外平面的切应力，τ12为与纤维方向平行的内平面的切应力，ε1为纤维方向的主应变，ε2为纤维面内切向的主应变，ε3为纤维面外切向的主应变，γ23为与纤维方向垂直平面的切应变，γ13为与纤维方向平行的外平面的切应变，γ12为与纤维方向平行的内平面的切应变；
则海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵表示为，



其中，海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料主坐标系下的材料柔度矩阵中各未知参数表示为，



其中，E1、E2和E3分别为纤维方向、纤维面内切向和纤维面外切向的弹性模量，v21为与纤维方向平行的内平面的泊松比，v31为与纤维方向平行的外平面的泊松比，v23为与纤维方向垂直平面的泊松比，G23为与纤维方向垂直平面的剪切模量，G13为与纤维方向平行的外平面的剪切模量，G12为与纤维方向平行的内平面的剪切模量。


3.根据权利要求2所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：所述S3具体为，
S31，根据坐标转换矩阵，将海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在材料坐标系下的材料柔度矩阵转换到圆柱坐标系下，得到海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵；
S32，通过均质化计算方法对海洋纤维增强柔性管的截面几何参数和材料参数进行均质化计算，得到均质化工程常数，并根据所述均质化工程常数以及海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵，建立海洋纤维增强柔性管与均质管之间的应力联系矩阵；
S33，在当前载荷下对均质管进行受力分析，得到均质化应力分布；
S34，根据所述应力联系矩阵与所述均质化应力分布，得到在当前载荷下海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的应力分布。


4.根据权利要求3所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：在所述S31中，所述坐标转换矩阵表示为，



其中，T(i)表示海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层的坐标转换矩阵，为海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层的纤维缠绕角度；
则通过公式C(i)＝(T(i))TCT(i)计算出海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵；
海洋纤维增强柔性管中复合材料各铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵表示为，



其中，C(i)为海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵，为海洋纤维增强柔性管中复合材料第i铺层在圆柱坐标系下的材料柔度矩阵中的参数，j＝1,2，...，6，k＝1,2，...，6。


5.根据权利要求4所述的海洋纤维增强柔性管的渐进失效分析方法，其特征在于：在所述S32中，所述应力联系矩阵表示为，



其中，所述应力联系矩阵中各未知参数表示为，



其中，D(i)和表示为，

【专利技术属性】
技术研发人员：王树青，刘文成，丁新东，卜嘉润，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：山东;37