海洋柔性管：钢带层力学分析

和HDPE层相比，当钢带缠绕管在扭矩荷载作用下，钢带承受主要的荷载，因此具体研究钢带的力学性能非常重要。

由于相邻层具有相同缠绕角的钢带的力学行为，为了描述方便，仅选择层Ⅰ、层Ⅲ、层Ⅴ来进行分析。和HDPE层不同，当钢带管在纯扭转荷载作用下，钢带中最具有代表性的力是轴向力（SF2）和弯矩（SM1），分别为图3.18中的2方向和1方向。提取这三层四个对应点处的这两个力，在图3.35～图3.40中表示出它们和扭转角之间的关系。

从这六幅图中可以观察到，每条曲线在初始段都有一条短的直线段，这是由于钢带刚开始接触不稳定造成的。弯矩值在初始段相对来说很小，仅当椭圆度达到一定值后，它才开始有增长趋势，并且增长速度一直增加。至于轴向力在初始阶段都在稳定增长。在钢带管快达到失效扭转角时，层Ⅰ、层Ⅲ的轴向力开始下降。但是层Ⅴ中的轴向力增长速度加快，这意味着层Ⅴ和层Ⅵ仍然要承受更多的轴向压力。由此可知层Ⅰ和层Ⅴ主要承受轴向压力，但是层Ⅲ主要承受轴向拉力，这是由于不同钢带缠绕角造成的正常现象。图3.41～图3.46给出的应力云图进一步表明了当钢带管到达失效状态时，钢带中的轴向力分布状态。除了边界条件引起了端部区域个别的反向轴向应力外，大部分轴向应力的方向和上述结论是相同的。此外，可以观察到钢带层从外到内变形情况更加明显。

图3.35　层ⅠSF2-扭转角曲线

图3.36　层ⅠSM1-扭转角曲线

图3.37　层ⅢSF2-扭转角曲线

图3.38　层ⅢSM1-扭转角曲线

图3.39　层ⅤSF2-扭转角曲线

图3.40　层ⅤSM2-扭转角曲线

图3.41　层ⅠSF2云图

图3.42　层ⅡSF2云图(www.xing528.com)

图3.43　层ⅢSF云图

图3.44　层ⅣSF云图

图3.45　层ⅤSF云图

图3.46　层ⅥSF云图

图3.47　层Ⅰ沿着钢带宽度方向的路径点

为了分析沿着钢带宽度方向的Mises应力分布情况，使用ABAQUS在层Ⅰ上画出一条路径点，如图3.47所示。当扭转角为0.47 rad时（即失效扭转角），钢带的最大Mises应力在点724。开始点724设置为No.1，点294设置为No.9，相邻点之间的增量为1。图3.48给出了在不同扭转角下这些点的Mises应力。

从图3.47和图3.48可以观察到应力随着扭转角的增大而增大。在初始阶段，应力沿着钢带宽度方向的分布相对比较均匀，各个点之间没有特别大的差异。但是随着扭转角的增大，钢带边缘区域的应力比中间区域的应力更大，这意味着边缘区域更加容易产生屈服。

图3.48　沿着钢带宽度方向的Mises应力比较

图3.49　不同层钢带Mises应力对比

从每一层钢带屈曲区域的中间部分取出最大的Mises应力点比较，如图3.49所示。可以看出，在初始阶段由于钢带间的不稳定接触，有一些不稳定的曲线段。这六条曲线大致有一个相似的趋势。除了层Ⅱ，从内层到外层最大的Mises应力都随着层数的增大而增大。在扭转角达到失效扭转角后，所有层的应力都急剧增大。