抗压铠装层的力学模型优化

当管道受到拉伸载荷时，由于抗压铠装层的螺旋结构，柔性管的阻力受其径向刚度的影响。本章的第一项工作是研究抗压铠装层的径向刚度，以获得该轴向问题相对准确的结果。由于其复杂的形状，在纵向和横向上显示出不同的特性，因此使用等效的理论模型来简化计算。实际上，它可以看作是一个正交各向异性的圆柱体，其杨氏模量沿纵向方向等于零，而在径向方向上，其等效厚度heq和杨氏模量Eeq的计算方法与De Sousa先前所做的相同［14］：

图15.2　层与层之间的接触压力

式中　Ieq——每单位长度的等效惯性矩；

A′——根据API 17B［17］所计算得出的抗压铠装层的横截面积；

n——每层的筋腱数；

Lp——节距长度；

E——材料的杨氏模量。

Ieq的计算方法与相关文献［1］相同：

图15.3　抗压铠装层Z形截面计算示意图(www.xing528.com)

式中　k——横截面的倾斜角和惯性矩影响参数；

I2′——最小惯性矩，可以参考图15.3计算如下：

根据Yue［15］所讨论的，如果正交各向异性圆柱体由相邻的抗拉铠装层引起径向围压PC加载，则可以在相同的压力下将其简化为平面环。抗压铠装层的等效杨氏模量Eeq和厚度heq可用于计算该模型，其中等效圆柱体的平均半径保持与其实际值相同，如图15.4所示。

图15.4　等效圆柱体示意图

由此可以计算出抗压铠装层的径向刚度，由Lu［18］定义：

其中DRC是由PC引起的圆柱体外表面的径向位移。根据薄壁管的弹性理论，径向刚度可表示如下：

式中　ν——材料参数泊松比。