轴向荷载与位移曲线分析

图19.12为轴向拉伸荷载下有限元与理论轴向力-轴向位移曲线对比图。从图中可以看出，不论是理论计算值还是有限元模拟值轴向拉伸荷载-轴向位移曲线走向都接近于HDPE材料的拉伸曲线，且在弹性阶段吻合度很高。这是由于理论值和有限元值材料模型都采用的是双折线模型，有限元仿真计算屈服位移为35.63 mm，理论计算屈服位移为30 mm，两者的屈服位移比较接近，且有限元计算出的屈服荷载值要大于理论屈服荷载值。屈服点过后，有限元曲线略微下降后保持水平，但理论值保持上升趋势，其主要原因为：在求解理论值时，采用的是抽取HDPE拉伸曲线中具有代表性的五个点后，弹性模量用线性插值的方法进行求解，理论的轴向拉伸荷载-轴向位移曲线十分接近于标准的双折线材料模型。但在输入有限元材料参数时，仅输入了拉伸弹性模量和屈服强度，利用ABAQUS中自带的双线性随动强化模型进行求解，所以有限元会暂时进入平台阶段，但在当轴向位移大于200 mm时，有限元的轴向荷载-轴向位移曲线开始有上升。

图19.12　有限元与理论轴向力轴向位移曲线对比

试验前期的数据较大波动是由于试验前期仪器与管材之间有空隙、油压不稳等原因引起的，为了较为客观地对比有限元仿真值和理论计算值，可舍去前期波动较大不准确的试验数据，取5 mm后的试验数据与有限元和理论结果对比，对比结果如图19.13所示。

从三者的对比结果可以看出，试验结果的轴向荷载-轴向位移曲线更接近于真实的HDPE拉伸应力-应变曲线。试验结果具有离散性，有限元和理论值结果曲线介于三根样管试验曲线之间，原因是由于在有限元和理论计算中，每一片玻璃纤维带状缠绕结构的简化过程都是用等效的八根玻璃纤维绳状结构代替的，这样会使得数值模拟的HDPE面积小于真实管道中的HDPE面积。而且在选取HDPE材料模型时，不论是有限元求解还是理论求解都做了简化，不能够完全反映试验过程中HDPE的力学行为。(www.xing528.com)

图19.13　有限元、理论和试验轴向力-轴向位移曲线对比

由图19.13可知，在轴向拉伸荷载作用下，不同材料的工作过程主要描述如下：在拉伸初期，玻璃纤维绳结构处于螺旋状态，随着轴向荷载的逐渐增大，由于泊松比HDPE体积不断被挤压的原因，管道的横截面面积不断减小；在拉伸中期，玻璃纤维绳慢慢展开，分担的轴向拉力逐渐增加；在拉伸末期，玻璃纤维结构加强层基体HDPE不能再被压缩，玻璃纤维绳之间开始相互挤压。