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《复合材料概论》课程论文格式要求
《复合材料概论》课程论文
玻璃钢复合材料埋地管结构设计研究
院、部：
材料与化学工程学院学生姓名：
张永煊
扌旨导教师：
朱莉云
专业：
无机非金属材料工程
班级：
材本1103班
完成时间：
2013年5月31日
摘要
玻璃钢复合材料管比强度高、重量轻、运输安装方便、摩擦阻力小、输运能力高、热应力小、耐磨性好、防腐蚀、可设计性强、维修方便、生产效率高、成本低,适用于石油输送管。
为玻璃钢复合材料石油输送管的使用安全，同时节约施工开支，本文根据玻璃钢复合材料石油输送管的性能，以及地面压力对埋地下管子的角扩散理论，对受卡车的载荷的埋在地下的玻璃钢石油输送管,进行了不同铺层层数建模，并进行了强度计算，设计出了合理的管壁厚度，有效的减轻了玻璃钢复合材料埋地管的重量。
关键词：
输送管；地面压力；角扩散理论；层数建模；重量
ABSTRACT
Glassfiberreinforcedplasticcompositepipeishighstrength,lightweight,easytotransportinstallation,smallfrictionalresistance,hightransportcapacity,thethermalstressissmall,goodabrasionresistance,corrosionresistance,candesignsexisstrong,easymaintenance,highefficiency,lowcost,suitableforoildeliverypipe.Forglassfiberreinforcedplasticcompositematerialtheuseofoilpipelinesafety,savingconstructioncostsatthesametime,inthispaper,accordingtotheperformanceoftheoildeliverypipe,glassfiberreinforcedplasticcomposites,andthegroundstressofundergroundpipeAngleofdiffusiontheory,forthetruckloadofburiedFRPoilpipeline,thedifferentshopnumbermodeling,andthestrengthcalculationanddesignareasonablewallthickness,effectivelyreducetheweightoftheglassfiberreinforcedplasticcompositematerialsofburiedpipe.
Keywords:
Duct;Groundpressure;Angleofdiffusiontheory;Thelayernumberofmodeling;Theweight
玻璃钢复合材料埋地管结构设计研究
1.概述
管道是现代工业中流体输送的重要材料。
传统的金属管、混凝土管或因易锈蚀，或因质量大，已不能满足现代工业的需要，复合材料管便应运而生。
1.1玻璃钢管的优点
与传统的钢管和混凝土管相比，玻璃钢管具有以下优点。
（1）耐久性好。
金属和混凝土管的防锈、耐化学腐蚀性很差。
当周围环境恶劣或输送酸、碱介质时，很快就会发生内、外表面腐蚀而遭破坏。
玻璃钢管为三层结构。
其内、外层可以按使用环境和使用条件进行设计，采用相对应的耐腐内衬和外表涂层，防止腐蚀介质对管道的浸蚀破坏。
这样，玻璃钢管道大大延长了使用寿命，因而能获得较高的经济效益。
（2）摩擦阻力小、输运能力高。
玻璃钢管的内表面光滑，远小于钢管和混凝管的表面粗糙度，因而流体阻力小，力学特性好。
若采用泵输送，在管径和流量相同时，较其他材料管道可以节能30%左右。
（3）质量轻、运输、安装方便。
玻璃钢管道的自重只有钢管的1/4，混凝土管的1/10，因而运输和安装费用均较低。
（4）比强度高。
玻璃钢管的纵向和环向拉伸强度为160MPa口320MPa比钢管略低；但由于玻璃钢的密度是钢密度的1/4，因此，玻璃钢的比强度反而比钢大很多。
5）可设计性强。
可根据玻璃钢管使用情况，对其性能及连接方式进行设
计。
通过对玻璃纤维分配设计，使管在轴向和环向有不同的强度；对管壁厚度设计，可使玻璃钢管适用于不同外压或内压工况条件；通过材料选择设计，可以使玻璃钢管适用于各种腐蚀介质环境；通过对接头方式设计，适用于不同安装条件。
（6）产品适应性强。
玻璃钢管的直径从25〜3600m均有；更大的直径亦可另行设计。
玻璃钢管的使用压力可从0.1〜30MPa由于其性能可以设计，故能适应多种使用条件的要求。
（7）无污染。
玻璃钢管耐腐、耐磨性好，因而管壁无杂质剥离和脱落、无腐蚀结垢，不会产生微生物，因此在使用中，不会对所输送介质产生污染。
（8）维修方便。
由于玻璃钢管无锈蚀、不结垢、耐腐蚀，因此一般情况下无需维修。
即便出现损伤，也因其轻巧，使维修十分方便。
（9）经济效益好。
玻璃钢管的综合性能优于钢管，特别是用在有腐蚀介质的条件下，玻璃钢管的使用寿命比钢管长几倍，体现出明显的经济效益。
1.2玻璃钢管的应用
由于玻璃钢管具有很多优越性能，因而促使世界各国都在积极研制、生产和推广使用。
目前年产量已超过70万吨。
在我国，玻璃钢管道已广泛用于石油、化工、供水、排污、灌溉、供气、污水处理、能源等众多领域。
下面主要来介绍一下玻璃钢管在油田中的应用。
（1）高压管道。
油田所用的高压管道主要包括注水管和油井管等，管径较
小，大多在©50〜©200m范围内，压力高，一般介于5〜30MP之间，对玻璃钢而言，条件较苛刻，国产的玻璃纤维性能上很难满足要求，生产此类管道所需玻纤需从国外进口。
目前，哈尔滨史密斯玻璃钢制品有限公司等单位在国内生产此类管道，1994年起应用于油田，已先后为大庆油田、中原油田、吉林油田、胜利油田、长庆油田、辽河油田等提供了几十公里的高压玻璃钢管。
（2）中、低压玻璃钢管道。
缠绕成型中低压玻璃钢管道作为钢管替代品，自20世纪90年代以来，我国油田大批量采用，国内几个大油田，如胜利油田、辽河油田、中原油田、大庆油田、克拉玛依油田、江汉油田等均大量采用了中低压缠绕玻璃钢管，青海的孕斯油田、江苏的江都油田、河北的华北油田，青海的格尔木油田等也不同程度地使用了中低压缠绕玻璃钢管道。
青海的孕斯油田仅在1990年就使用了20km胜利油田在1991-1992年期间，仅地面应用工程就使用了近30km中原油田自1993年至今以使用170余km,油田是中低压玻璃钢管道的一个非常重要的应用市场。
油田目前使用的中低压玻璃钢管道已近千公里，其选用的管径大多介于©50〜©700m之间，输送的介质温度最高达78°C左右，压力一般为0.1〜1.6MP&
1.3玻璃钢复合材料埋地管的设计要点
玻璃钢管复合材料埋地管是在土壤中铺设的，是玻璃钢管道应用的一种铺设形式。
它在受到管内液体内压作用的同时，还受到回填土重量引起的外压力，车辆的轮压力或地面堆积物重等活动载荷、管内流速变化而产生的瞬时压力急剧升高或降低所引起的冲击压力（又称水锤压力）、管内出现真空时的负压等。
进行玻璃钢管复合材料埋地管的设计时，首先应充分了解其使用要求，根据其所输送的介质的性质选择耐腐蚀层的材料，根据要求流量来确定管的内径，根据管的工作压强和安装条件（如埋设条件及深度）来确定管的结构受力层的厚度。
在进行管的力学性能设计时，应分别考虑其各种载荷情况，以及这些载荷的联合作用，由这些载荷情况的管壁应力来确定结构受力层的厚度。
玻璃钢管复合材料埋地管设计就是在初步确定其厚度及埋设深度后，要求应力、应变和挠度在许用值以下，
并校核外压屈曲，力求合理利用材料、降低成本，使管道安全工作
1.4本文主要设计内容
在本文中，主要从力学角度研究埋地管道的设计方法，对玻璃钢复合材料埋地管进行铺层设计，用ANSY软件对其进行建模，施加载荷（包括工作内压、回填土压力和地面车辆通过时引起的土压力），进行强度校核。
并计算出最先一层失效强度和极限强度。
2.玻璃钢复合材料埋地管设计条件
设计大庆某批石油输送管，已知管径D=500mm覆土层高H^3m最大工作内压pw=1.0MPQ要求允许通过20t载重汽车。
回填土密度r=0.0018kg/cm3,基础支撑角2=120°。
材料用E—玻璃/环氧，强度设计安全系数取n=2。
3.埋地管外载计算及壁厚计算
埋地管承受的载荷有管道工作内压、埋土压力和汽车行驶产生的载荷。
工作
内压已知pw=1.0MPa,下面来计算埋土压力和汽车行驶产生的载荷。
3.1埋土压力
当埋土深度大于200cm时，埋土的静压力为
q-3{1exp[H/（、3Bd）]}rBd
（3-1）
式中r回填土的密度，kg/cm3;
Bd埋设管道时所挖沟的宽度，cm（管径为500mr时，Bd=110cm）;
当由式（3-1）计算的q值小于0.036MPa时，q值仍取0.036MPa。
H为300cm时，则
q.3{1exp[300/C.3110）]}0.0018110=0.247kg/cm3=0.0247MPa
计算结果q小于0.036MPa,故q值仍取0.036MPa
回填土对玻璃钢管壁产生的压力如图3.1所示。
inunriH
图3.1回填土静土压分布
计算管壁承受的垂直静土压时，上表面按均匀分布，下表面则作用于基础范
围内。
向上的垂直土压近似水平方向均匀分布，其值为q/sin=1.155q。
管侧水平方向的土压力，能使垂直静土压力作用下趋于扁平的管环，发生部
分恢复，对于降低管环截面应力和提高管环抗变形能力都很有利。
水平方向静土压力如图3-1所示近似等腰三角形分布，其最大值等于垂直静土压力。
3.2汽车行驶产生的载荷
不考虑邻近车辆影响时，一个车轮压力传至管顶的压力强度q的计算公式为
K°Pq
q
（a2htg）（b2htg）
（3-2）
式中q——管顶压力强度，kN/m2;
Pq后轮轮压，kN;
Kd——与埋深有关的汽车动力系数（管埋设深度》0.7m时，Kd二1.0）;
a汽车轮胎行车方向着地长度，通常取a=0.2m；
b汽车轮胎宽度,m；
h任意深度，m
——车轮压在土壤中的传播角；按我国1975年公路桥涵设计规范，
取=30°o
20t载重汽车的后轴压力为13t，则单边双轮组压力为
Pq=6500kg~65kN
后轮着地宽度b=0.6m,着地长度a=0.2m；汽车动力系数KD=1.0。
由式（3-2）计算得到一个双轮组引起的动压力为
2
qd=4.365kN/m=0.004365MPa
3.3壁厚计算
管壁厚度计算公式为
PwD
2[y]pw
（3-3）
式中t——管壁厚度；D——管径；
Pw——工作压力；[y]——管环向许用应力。
其中环向许用应力为管的环向破坏强度除以安全系数，即[y]y/n。
式中n为玻璃钢管的安全系数，一般n取值为2〜2.5。
经计算得，本文中所设计的埋地管壁厚t〜10mm
将由环向应力求出的t，作为初选壁厚，进行强度校核。
如果也能满足强度要求，则t可以确定为管壁厚度。
否则应增加壁厚，直至满足轴向强度为止
4.玻璃钢管道有限元分析
对于不同工况下的管道分析，若采用试验方法来分析，则需花费大量的人力、物力，而有限元法在这方面则更优于物理试验，应用有限元理论进行分析，可以有效地对各种荷载条件、地下条件和结构性质情况下的管道进行数学模拟，大大简化了分析过程。
本节运用ANSY对埋地玻璃钢管道在土中的力学性能进行有限元分析。
管道有限元分析主要包括3部分，即前处理模块、分析计算模块和后处理模块，具体可以分为：
建模、网格划分、边界处理、施加荷载、结构分析、求解和计算、结果查看等。
4.1玻璃钢管的结构
本文中玻璃钢管的材料为E-玻璃/环氧，铺层数为80层，采用［0/90］对称铺层，每层厚0.125mm单层材料性能参数见表1。
表1玻璃钢材料属性
e（GPa
E2
（GPa
E3
（GPa
12
23
13
G12
（GPa
G23
（GPa
G13
（GPa
38.6
8.27
8.27
0.26
0.2
0.2
4.14
2.05
4.14
4.2玻璃钢管的有限元分析
本文要分析的玻璃钢复合材料管道采用ANSY单元库中SOLID46单元对其进行网格划分。
SOLID46是8节点3□实体单元的一种叠层形式，它的每个节点有3个自由度。
它可以用来建立叠层壳或实体的有限元模型，每个单元允许250层的等厚度材料
层，同样允许125层的厚度在单元面内成双线性变化的不等厚材料层。
SOLID46
单元有一个等效的横向刚度，允许在横向上存在非零应力、应变和位移。
它可以指定失效准则。
在ANSY中建立玻璃钢复合材料埋地管有限元模型。
Ahl
ELEHE3CT3MCJL£01D
ITsHStn
图4.1玻璃钢复合材料埋地管模型
AH
i>tc丄富uj
mvEii«
图4.2铺层情况
在管右端面处施加约束。
在圆筒外侧上表面施加载荷qqd，为—0.040365MPa在圆筒外侧下表面施
加载荷q,为0.036MPa在圆筒内侧施加内压pw，为I.OMPa。
经过ANSY进行求解分析，用最大应力准则校核强度
玻璃钢材料强度属性见表2。
表2玻璃钢材料强度属性
Xt（MPa
Xc（MPa
Yt（MPa
Yc（MPa
s（MPa
1062
610
31
118
72
等效应力等值线图为:
-也呦*BT^i
—・艸
（c）沿帝由等效应力等值线图（d）等效应力等值线图
图4.3应力等值线图
4.3对复合材料玻璃钢管进行强度校核
当壁厚为10m时：
许用应力为
[』=Xt/n=1062/2=531（MPa）,[几=Xc/n=610/2=305（MPa）
[2]t=Yt/n=31/2=15.5（MPa）,[2]c=Yc/n=118/2=59（MPa）
用ANSY计算可得：
（1）0°单层
1（0）=41.2（MPa）v[』t（安全）
20）二8.52（MPa）v[2】c（安全）
（2）90°单层
1（90）二36.9（MPa）v[汛（安全）
290）=13.1（MPa）v[2】t（安全）
所以此玻璃钢管结构是安全的
4.4计算最先一层失效强度
当铺层层数为40
为使结构达到最轻重量，逐渐减少铺层层数，以减小壁厚,
层，壁厚为5m时，用ANSY计算可得:
4.5计算极限强度
当铺层层数为24
继续减少铺层层数，计算玻璃钢复合材料埋地管极限强度。
层，壁厚为3mr时，用ANSY计算可得：
0°单层
（0）
1
=568（MPa）vXt
（安全）
（0）
2
=119.3（MPa）>Yc
（破坏）
此时0°单层和90°单层都发生了破坏。
5.结论
本文以玻璃钢复合材料埋地管为研究对象，应用ANSY软件对玻璃钢复合材料埋地管进行建模分析，校核强度。
最后得出本文所设计的结构壁厚为10m是安全的。
为使玻璃钢复合材料埋地管的重量达到最轻，在保证结构安全的前提下，通过改变铺层层数，使埋地管壁厚减小，当铺层层数为40层时，埋地管壁厚为5mm时，90°单层刚好发生破坏，所以90°单层首先失效。
所以为使结构重量达到最轻，壁厚可在大于5mr的范围内合理的减小。
当铺层层数为24层，壁厚减小到3mm时，0°单层和90°单层都发生了破坏，达到了极限强度。
由此可得出，在设计玻璃钢复合材料埋地管结构时，管壁厚度可在大于5mr的范围内合理的减小，并且适当的增加0°层的铺层比例，从而使玻璃钢复合材料埋地管结构重量达到最轻，并且保证玻璃钢管的结构强度达到最优。
参考文献
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