復(fù)合材料內(nèi)襯管修復(fù)過程受力分析

劉 曉 光

(哈爾濱市建源市政工程排水規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150080)

復(fù)合材料內(nèi)襯管修復(fù)過程受力分析

劉 曉 光

(哈爾濱市建源市政工程排水規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，哈爾濱 150080)

采用折疊變形法修復(fù)技術(shù)安裝復(fù)合材料內(nèi)襯管過程中需要充分考慮折疊對材料內(nèi)部性能的影響.對復(fù)合材料內(nèi)襯管在折疊和恢復(fù)展開過程進(jìn)行了有限元建模分析，考慮了折疊后綁膠帶維持管U形以及施加內(nèi)壓膠帶撐破的過程，充分對復(fù)合材料內(nèi)襯管在折疊和恢復(fù)過程中的應(yīng)力及應(yīng)變進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)在折疊成U形管過程中容易使復(fù)合材料內(nèi)襯管纖維增強(qiáng)層出現(xiàn)損傷，從而影響復(fù)合材料內(nèi)襯管的使用壽命.

折疊變形法；復(fù)合材料內(nèi)襯管；管道修復(fù)；有限元；應(yīng)力分析

很多給排水管道因路面沉降及管道腐蝕等諸多因素的影響往往需要修復(fù)，采用非金屬內(nèi)襯管修復(fù)可以有效恢復(fù)管網(wǎng)的給排水能力和運(yùn)行安全.目前國內(nèi)已有利用PE管[1]、HDPE管[2]和PVC管[3]對給水或排水管道進(jìn)行修復(fù)的相關(guān)探討及應(yīng)用[4].非金屬內(nèi)襯管的安裝修復(fù)主要采用非開挖修復(fù)技術(shù)完成.非開挖修復(fù)技術(shù)是傳統(tǒng)的開挖修復(fù)技術(shù)的一次變革，可以徹底解決管道修復(fù)問題，并且對城市交通影響小、效率高、成本低等特點(diǎn)[5].主要的非開挖修復(fù)技術(shù)包括穿插法、折疊變形法、縮徑法、纏繞法、原位固化法、噴涂法、爆碎管襯裝修復(fù)技術(shù)等[6]，其中折疊變形法是可變形修復(fù)管折疊成U形或C形等形狀減少管的斷面面積，然后用加熱或加壓的方法使其恢復(fù)原始的管道形狀與舊管道緊密貼合達(dá)到管道修復(fù)的目的.折疊變形法修復(fù)技術(shù)對內(nèi)襯管有一定的要求，要求在折疊和恢復(fù)過程中不能對內(nèi)襯管造成損傷或潛在的缺陷，因此需要充分考慮在安裝設(shè)計(jì)過程內(nèi)襯管的受力狀態(tài).針對埋地PE管道工程設(shè)計(jì)已經(jīng)有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范[7]，但對于內(nèi)壓有一定要求的給水管道PE管可能不能滿足結(jié)構(gòu)要求，德國公司開發(fā)了一種復(fù)合材料內(nèi)襯管Primus Line，該管中間增加了纖維增強(qiáng)層，有效提高了管道的抗內(nèi)部正壓或負(fù)壓能力.因此在采用折疊變形法修復(fù)技術(shù)安裝該管過程中需要充分考慮折疊對材料內(nèi)部纖維性能的影響.本文針對復(fù)合材料內(nèi)襯管折疊變形法修復(fù)技術(shù)，對管道在折疊及恢復(fù)進(jìn)行受力評價分析，本研究可用于復(fù)合材料內(nèi)襯管折疊變形法安裝及相應(yīng)設(shè)計(jì)規(guī)范的制定.

1 工程概述

在對復(fù)合材料內(nèi)襯管采用折疊變形法進(jìn)行安裝過程中，復(fù)合材料內(nèi)襯管折疊成U形，每隔0.25 m綁一定厚度的膠帶，控制管折疊后的變形形狀，折疊后管的橫截面變?yōu)槿鐖D1所示.在折疊過程中復(fù)合材料管發(fā)生了大的變形，同時在管恢復(fù)過程中需要加內(nèi)壓把膠帶撐破.

圖1 折疊變形法安裝及內(nèi)襯管在折疊狀態(tài)下的橫截面

因此需要詳細(xì)考慮在折疊和恢復(fù)過程內(nèi)襯管的應(yīng)力狀態(tài)，需要充分分析在變截面過程中對復(fù)合材料內(nèi)襯管的影響.

2 復(fù)合材料內(nèi)襯管有限元建模及計(jì)算過程

復(fù)合材料內(nèi)襯管增加了纖維增強(qiáng)層，所以具有很好的力學(xué)性能，同時為了不損傷纖維該復(fù)合材料內(nèi)襯管的最大變形有嚴(yán)格的要求.該復(fù)合內(nèi)襯管由三層組成，最外層為PE層，中間層為Kevlar纖維增強(qiáng)層，最外層為TPU層，如圖2所示.管的外徑和內(nèi)徑分別為182 mm和169 mm，PE層、Kevlar纖維層和TPU層厚度分別為2、2.3和2.2 mm，整體管厚為6.5 mm.Kevlar纖維層內(nèi)部紗線數(shù)為1 K，經(jīng)緯向每10 cm內(nèi)有42根紗線.纖維增強(qiáng)層材料性能可以由公式(1)計(jì)算得到.PE、TPU、Kevlar、復(fù)合材料以及膠帶的材料性能如表1所示.

圖2 復(fù)合材料管示意圖

材料彈性性能密度/(g·cm3)斷裂伸長率/%PEE=150MPav=0.420.918510TPUE=27MPav=0.451.24635Kevlar29Ef11=70.5GPavf12=0.32vf23=0.3Gf11=1.8GPa1.443.6纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層E1=2.04GPaE2=312.9MPavf12=0.376vf23=0.37Gf11=112MPa1.279膠帶E=1.3GPav=0.450.958

E1=VfEf11+(1-Vf)Em

v12=v13=Vfvf12+(1-Vf)vm

v23=E2/(2G23)-1

(1)

首先建立復(fù)合材料內(nèi)襯管有限元模型，采用三維殼單元對模型進(jìn)行離散，把殼單元分為四層：PE層、以PE為基體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層、以TPU為基體的纖維增強(qiáng)復(fù)合材料層和TPU層.模型中環(huán)向和軸向分別對應(yīng)局部坐標(biāo)1和2方向.

為了實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料內(nèi)襯管折疊及恢復(fù)的過程，需要施加一系列的邊界條件：首先需要形成一個U型的界面形狀需要把復(fù)合材料內(nèi)襯管通過一個壓頭把管壓扁，為了使管內(nèi)翻需要增加一個V形模具限制其變形；然后當(dāng)壓頭壓到兩個面相貼時，去除V形模具和壓頭，利用平行的兩塊板把模型擠壓成U型；再增加塑料膠帶把固定U形管形狀，同時去除兩塊平行的擠壓板；最后對內(nèi)襯管施加內(nèi)壓，把塑料膠帶撐破，恢復(fù)到初始形狀.

3 結(jié)果及討論

3.1復(fù)合材料內(nèi)襯管折疊過程受力分析

采用兩個面成90°的V形模具對復(fù)合材料內(nèi)襯管進(jìn)行位移限制，在復(fù)合材料內(nèi)襯管的上方采用半弧狀的壓頭向下壓，復(fù)合材料內(nèi)襯管與V形模具采用硬接觸邊界條件，其中V形模具和壓頭采用剛體.壓縮的過程如圖3所示，計(jì)算發(fā)現(xiàn)發(fā)生環(huán)向的應(yīng)變達(dá)到-9.55%，軸向應(yīng)變達(dá)到了12.79%，該值對PE和TPU材料是可以接受的，但對于Kevlar纖維可能存在損壞的風(fēng)險.

圖3 復(fù)合材料內(nèi)襯管壓扁的過程

當(dāng)把復(fù)合材料內(nèi)襯管在V形模具中壓平后，再利用兩個垂直的滾輪把管擠壓成U形，該過程可以利用兩個垂直的板施加水平方面的位移把管擠壓成U形管，再該過程中需要把V形模具和半弧形壓頭去除，最后的變形如圖4所示，最后所得的變形圖與真實(shí)的變形狀態(tài)相似.可是由于網(wǎng)格尺寸的限制，折疊管的應(yīng)變偏大，在該折疊過程中軸向應(yīng)變達(dá)到了17.8%，環(huán)向應(yīng)變達(dá)到了11.6%，因此復(fù)合材料內(nèi)襯管在折疊過程中Kevlar纖維層處于高損傷風(fēng)險狀態(tài)，需要注意的是在模擬過程中沒有考慮Kevlar增強(qiáng)層纖維重取向的影響，由于較大的變形可以導(dǎo)致增強(qiáng)層纖維束重取向，并且能夠降低增強(qiáng)層的應(yīng)力水平.該折疊的計(jì)算過程是利用有限元顯性求解器進(jìn)行求解的.

圖4 復(fù)合材料內(nèi)襯管折疊過程

復(fù)合材料內(nèi)襯管折疊后，需要對折疊后的內(nèi)襯管隔0.5 m綁一個膠帶用于保持該折疊變形，為了精確求解結(jié)構(gòu)在折疊后的應(yīng)力及變形該過程采用有限元隱性求解器求解.在計(jì)算過程中需要建立膠帶與折疊管的接觸，同時去除兩個垂直板.經(jīng)過把顯性求解結(jié)果傳遞到隱性求解器進(jìn)行計(jì)算后，應(yīng)力達(dá)到平衡，得到軸向最大應(yīng)變?yōu)?.04%，環(huán)向最大應(yīng)變?yōu)?.49%，因此最大應(yīng)變在材料允許的范圍內(nèi).

3.2復(fù)合材料內(nèi)襯管靜水壓力恢復(fù)展開過程

通過膠帶把復(fù)合材料內(nèi)襯管控制為U型小截面管后，通過拖拉裝置把復(fù)合材料內(nèi)襯管拖進(jìn)給水管道，拖到位置后需要對U型管施加內(nèi)壓把膠帶撐破，并且使復(fù)合材料內(nèi)襯管恢復(fù)到原來的尺寸與給水管道緊密貼合，從而達(dá)到修復(fù)管道的目的.為了計(jì)算復(fù)合材料內(nèi)襯管在內(nèi)壓的作用下使膠帶斷裂需要把模型從隱性求解器轉(zhuǎn)到顯性求解器求解，當(dāng)膠帶全部斷裂后再把模型轉(zhuǎn)到隱性求解器求解，最終使復(fù)合材料內(nèi)襯管達(dá)到應(yīng)力平衡.圖5是復(fù)合材料內(nèi)襯管在施加內(nèi)壓條件下恢復(fù)展開過程，其中給出了軸向應(yīng)力分布.從圖5中可以看出當(dāng)中心三個膠帶破壞后，有一個應(yīng)力釋放的過程，然后應(yīng)力繼續(xù)增加，五個膠帶全部破壞.然后把模型轉(zhuǎn)到隱性求解器繼續(xù)進(jìn)行計(jì)算，U型管橫截面最終恢復(fù)為圓管，因?yàn)楣芑謴?fù)產(chǎn)生大的變形應(yīng)力得到了有效釋放，因此應(yīng)力有下降的趨勢，最終復(fù)合材料內(nèi)襯管的應(yīng)力用于平衡所施加的內(nèi)壓力.在展開的過程中計(jì)算得到復(fù)合材料內(nèi)襯管出現(xiàn)的最大軸向應(yīng)變?yōu)?.79%，該值在材料允許的范圍內(nèi).

圖5 復(fù)合材料內(nèi)襯管加內(nèi)壓展開過程分析

4 結(jié) 語

本文對復(fù)合材料內(nèi)襯管采用折疊變形法安裝的折疊和恢復(fù)展開過程進(jìn)行了分析，采用了有限元隱性求解器與顯性求解器交互計(jì)算分析，充分分析了折疊過程、綁膠帶過程、撐破膠帶過程以及恢復(fù)過程.通過分析發(fā)現(xiàn)帶有纖維增強(qiáng)的復(fù)合材料內(nèi)襯管在U形折疊過程中容易對纖維增強(qiáng)層造成損傷，可能會影響復(fù)合材料內(nèi)襯管的使用壽命，因此復(fù)合材料內(nèi)襯管采用U型折疊變形不可取，需要探索采用其他形狀的折疊變形.

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Foldingandinflationprocessanalysisofcompositeliningpipeforrepairingwatersupplyanddrainagepipeline

LIU Xiao-guang

(Harbin Jianyuan Municipal Engineering Drainage Planning and Design Co., Ltd., Harbin 150080, China)

It is necessary to consider the effect of folding on the material properties of composite lining pipe during folding deformation repairing process. The finite element analysis for folding and inflation processes of composite lining pipe was conducted, and the binding and bursting of adhesive tape was also taken into account. The stress and strain analysis for composites during installation process was analyzed. It was found that the reinforced fiber of composites may appear damage during the folding process, which may influence the using life of the composite lining pipe.

folding deformation method; composite lining pipe; pipe repairing; finite element method; stress analysis

2017-01-25.

劉曉光(1982-)，女，工程師，研究方向：市政管線規(guī)劃設(shè)計(jì).

TV31

A

1672-0946(2017)05-0533-04