论文摘要
钢丝缠绕增强塑料复合管（简称PSP）是一种性能优良的新型复合管。它以高密度聚乙烯（HDPE）为基体,以高强度钢丝左右螺旋缠绕成型的网状骨架为增强体,采用高性能的粘结树脂层将钢丝网骨架与内外层高密度聚乙烯紧密地连接在一起。这种独特的结构不仅使PSP集钢管的高强度与塑料管的耐腐蚀性两种优点于一体,还克服了金属板骨架增强塑料复合管易脱层等缺陷。PSP管生产效率高,综合性能优越,具有广阔的应用前景。目前,PSP的生产厂家大多是按照经验及试验结果进行设计制造,对生产中出现的实际问题无法寻求科学上有利指导,严重制约着PSP的发展。本文在高等学校博士学科点专项科研基金和国家教育部新世纪优秀人才支持计划的资助下,对PSP短期和长期力学响应特性、长期外压稳定性以及PSP接头端部鼓胀失效机理进行了系统深入的研究。本文的主要研究内容和取得的创新成果为:（1）基于细观力学理论,建立外矩形内圆力学模型,预测PSP单层板的弹性参数;针对PSP的四层结构,建立考虑内外层钢丝缠绕角度差异引起PSP扭转的结构力学模型,系统研究PSP整体弹性特性。提出PSP应力分析三维数值模拟方法,建立相应有限元分析模型。设计PSP内压试验,试验测试结果、理论计算结果和有限元模拟结果吻合。研究全丝缠绕和半丝缠绕两种典型生产工艺对PSP失效模式、扭矩变化的影响,分析钢丝缠绕角度对PSP外表面应变的影响,提出生产中宜优先选用的制造工艺。（2）采用HDPE样条进行拉伸蠕变试验,基于时间-温度-应力等效原理,提出PSP基体材料的50a粘弹性本构方程;基于PSP结构特征,考虑基体和粘结剂的粘弹性,提出PSP线粘弹性力学分析模型,可用于PSP长期寿命预测;设计PSP内压粘弹性试验,试验测试结果和理论计算结果吻合。研究中得出的关于PSP外表面应变和钢丝平均应力在50a内随时间变化的规律,钢丝体分比和缠绕角等因素对PSP粘弹性行为影响的结论对PSP的设计、运行具有重要指导意义。（3）基于PSP各层的线粘弹性本构关系,应用扁壳理论,提出简支边界条件下PSP蠕变失稳临界压力分析模型,应用该模型计算得到PSP不同时间下的临界失稳载荷,给出蠕变失稳临界压力的影响因素;设计搭建外压和真空试验装置,合理周密地设计试验内容、试验步骤和测试方法,得到PSP在恒定外压作用下的失稳临界时间,试验测试结果和理论计算结果吻合。研究中得出的关于PSP公称直径、钢丝—粘结树脂层厚度、HDPE层厚度、钢丝缠绕角、钢丝根数等设计参数与蠕变临界压力的关系对PSP的稳定性设计和安全运行具有指导意义。（4）提出PSP接头应力分析模型,结合实际钢丝拉拔过程钢塑界面的失效判据,提出防止PSP发生端部接头鼓胀失效所需接头临界长度的计算公式,解决工程中出现的PSP接头端部鼓胀失效问题;设计钢丝拉拔和临界长度验证性试验,证明理论研究的合理性。通过钢丝—粘结树脂界面粘结强度试验,得到复合温度对PSP界面粘结强度的影响,给出保证PSP钢塑界面粘接的最优复合温度,这对保证PSP产品质量有着重要意义。
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标签：复合材料论文; 复合管论文; 应力分析论文; 试验研究论文; 正交各向异性论文; 蠕变失稳论文; 粘弹性论文; 钢丝拉拔论文;