分析自锁抗压铠装对管道应力应变的影响

图15.17　应变与拉力的关系

从理论分析和数值模拟得到的拉伸力与伸长应变曲线可以看出，对于弹性和塑性阶段，这两条曲线几乎完全一致，误差仅为4.50%（图15.17）。误差可以归因于在理论分析中，假定抗压铠装层是弹性的。实际上，由于抗拉铠装层的钢带之间存在空隙，可能产生约束压力和应力分量不均匀分布，使抗压铠装层某些区域达到塑性阶段。

为了避免固端效应，提取抗压铠装层中跨的应力进行分析。外表面承受更严重的加载条件，由于应力的不均匀分布，在一个节距长度中选取两个区域来进行应力分析，它们的应力变化如图15.18所示。其中点A代表最严格的应力条件区域，而点B则表示较不苛刻的应力条件区域。从该图可以看出，一些积分点应力已超过材料的极限应力，在后期阶段可能导致数值模型中的拉力较小。

图15.18　抗压铠装层的Mises应力分布图

从理论模型可以发现，塑料层对于总拉伸强度的贡献仅为5.74%，如图15.19所示，其中W代表抗拉钢带强度，而WP代表HDPE层。这一结果表明，忽略HDPE层对拉力的影响是合理的。

图15.19　W与WP下应变与拉力的关系

图15.20　接触压力分析的选取点

如果管道中包含自锁的抗压铠装层，则径向位移方面的比较不能提供可靠的结果。原因有以下几条：首先，假设了压力铠装层作为正交各向异性圆柱体，假设几何形状都是连续的，而在FEM模型中的抗压铠装层表面上出现间隙；此外，它们也可能受到不同层厚度变化的影响，这在理论分析模型中没有考虑。为了从FEM模型中获得准确的结果，选择连续的点来研究接触压力，所选择的点在图15.20中示出。

将平均结果与理论结果进行比较，如图15.21和图15.22所示，可以看出它们显示出良好的一致性，因此式（15.9）可用作粗略估计两层之间的接触压力。

图15.21　抗压铠装层与抗拉铠装层的接触压力(www.xing528.com)

图15.22　抗拉铠装层之间的接触压力

抗拉铠装层在纵向上提供大部分强度。理论模型假设应变和应力是轴对称的，也就是说，假设相同横截面中同一层中每根钢带的应力是相同的。外层抗拉铠装层的Mises应力曲线如图15.23所示。即使某些区域存在一些不均匀性，该图像的积分也非常一致。选择钢带位于该中跨横截面的点，并将其应力-应变与理论结果进行比较，如图15.24所示，可以观察到即使存在一些波动，其波动幅度不高。

图15.23　外层抗拉铠装层的应力分布图

图15.24　外层抗拉铠装层的应力-应变分布图

选择内外抗拉铠装层的各一条钢带来研究Mises应力和伸长率之间的关系，如图15.25与图15.26所示，理论模型与数值模拟模型具有良好的一致性。

图15.25　内层抗拉铠装层的应变-应力关系

图15.26　外层抗拉铠装层的应变-应力关系

图15.27　T与TP下应变与拉力的关系

一旦证明了理论模型的有效性，就可以考虑外压的影响。20 MPa的恒定压力施加在抗拉铠装层的外表面上，纵向位移以恒定速率施加直到20 mm。只考虑抗拉铠装层的影响，如图15.19所示。正如预期的那样，管道中抗压铠装层的存在使得结构在径向方向上足够坚硬，因此静水压力可以忽略。如图15.27所示，管道的拉伸能力显著降低，其中T代表纯拉伸载荷，TP代表组合拉伸和外部压力载荷。