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缠绕角度对多轴循环载荷下玻璃/环氧管性能的影响
Pranesh Krishnana，M.S. Abdul Majid a,⁎，M.Afendia，A.G.Gibsonb，H.F.A. Marzukic
马来西亚玻璃市大学机电工程学院，Pauh Putra校区，Arau，玻璃市02600；
英国，纽卡斯尔纽卡斯尔NE1 7RU，纽卡斯尔大学斯蒂芬森大楼；
新材料研究中心，马来西亚吉打州09000，居林高科技园，Jalan Hi-Tech 2/3，Lot 34
摘要：
研究了缠绕角度对多轴循环载荷下玻璃/环氧树脂复合管性能的影响。使用与复合管制造商的内部认证要求兼容的本地自动化测试程序，并研究了此类复合管的性能。测试了具有三个缠绕角，即[plusmn;45°]4，[plusmn;55°]4和[plusmn;63°]4的玻璃纤维增强环氧树脂（GRE）复合管。制造了一种新颖的自动测试装置，以适应从纯轴向载荷到纯箍载荷的五个应力比。进行循环压力测试直至液滴在管道的外表面看到水。然后根据第一层破坏（FPF）点构造破坏包络，该第一层破坏（FPF）点由在五个应力比下的轴向应力对箍应变响应确定。在测试过程中观察到三种功能失效模式，即轴向拉伸，渗漏和局部泄漏失效。结果表明，每个绕组角支配着不同的最佳压力加载条件，即[plusmn;55°]4为纯流体静力学加载，[plusmn;45°]4为箍轴向载荷，[plusmn;63°]4用于四向轴向加载。封套对应力比和缠绕角度有很强的依赖性。
关键词：
玻璃纤维增；强环氧树脂（GRE）；极限弹性壁应力（UEWS）；第一层失败（FPF）；多轴应力比循环加载
1.绪论
玻璃纤维增强环氧树脂（GRE）复合管具有更高的强度，更轻的重量和更低的爆裂风险，使其成为航空、结构工程以及海洋、石油和天然气行业的首选。复合结构使用的增加要求可靠的测试方法，以确保其安全性并预测其长期性能。GRE管道的质量受国际标准ISO 14692-1：2002[1]和ASTM D2992[2]的约束。此过程描述了一种建立强度回归数据的方法，该数据用于获得玻璃纤维的静水设计基准（HDB）或压力设计基准（PDB）管道。ISO 14692-1：2002分别概述了ASTM D2992a和ASTM D2992b中循环加载压力和长期恒压加载的详细程序。为了估计预期寿命（20至50 年）结束时的残余特性，该测试至少需要18个点才能绘制出回归线，并且一个点必须能够访问10,000h，大约为14多个月。但是，复合管制造商需要更有效和可靠的短期测试。考虑到现有测试程序的所有局限性，包括作为玻璃纤维管道商业项目的一部分（在时间上）无法执行此测试，现在有动力认识到需要更好、更快和更便宜的合格GRE管道中的测试程序。此外，他们还需要其他组合载荷条件来确定长期性能，这可能会提供更实际的失效范围。
Hugo[3]研究了使用欧洲标准EN1447和EN1227减少了测试阀芯并预测了GFRP管的长期性能。确定第一个非弹性行为的极限弹性壁应力（UEWS）和应变破坏测试为预测长期静水压力强度提供了另一种解决方案[4]，[5]。Majid及其同事[6]，[7]，[8]，[9]，[10]对在水压和双轴载荷下长丝缠绕玻璃纤维增强环氧（GRE）复合管的性能进行了实验研究。在温度高达95°C的条件下，他们采用了UEWS测试，这是由复合管制造公司进行的一项短期测试，以确保其管材能够承受根据ISO 14692通过ASTM D2992进行的长期回归测试。 Roham和Farshid [11]进行了确定GRE管道在内部静水压力下功能失效的实验装置，以研究纤维体积分数和缠绕角度对管道功能失效的影响。他们使用五个不同的体积分数（即50％，52.5％，55％，57.5％和60％）和三个不同的缠绕角度（即plusmn;52.5°，plusmn;57.5°和plusmn;60.9°）进行研究。确定第一层失效（FPF）和功能失效压力。
Mertiny及其同事使用流体体积损失和基于渗透率的方法在常温和100°C 高温下对复合管进行了泄漏失效测试[12]。在他们的研究中，根据流体的累积体积损失确定泄漏，并根据平均流体通量确定有效渗透率，以液压油作为加压介质，使缠绕角度为plusmn;60°的复合管合格。他们还测试了一个封闭状态，其中压力在三个加载速率下单调增加，并观察到压力加载速率与泄漏应力成正比。
Quaresimin及其合作者[13]，[14]提出了在循环载荷下层压板损伤引发和演变的实验研究。他们使用堆叠序列[0/theta;2/0/-theta;2]，在离轴帘布层和不同的厚度的薄的（2层）之间的可能的效果以及厚（4层）层，来调查本地的影响多轴应力状态。进一步研究了单向复合材料层压板的多轴疲劳行为，尤其要注意对破坏机理及其与局部多轴应力状态的相关性进行分析，以作为制定多轴疲劳准则的基础。
海水和的影响冲击载荷的疲劳寿命下内部循环压力玻璃-环氧树脂复合管是由穆罕默德研究[15]。这些管子是用细丝缠绕技术生产的，并浸入海水中3、6和9 个月。在5、7.5和10 J的三种不同能量水平下进行疲劳测试，然后进行冲击测试，以观察疲劳损伤的类型，即出汗，渗漏和喷发。Hawa最近通过爆破压力试验研究了在5、7.5和10 J这三个能级下，受热GRE管受热液老化的影响[16]。
Uyaner[17]开发了一个PLC控制的液压疲劳试验台，对经过冲击测试的受损GRP管的破裂强度和疲劳寿命进行测试。他们的研究表明，损坏的玻璃钢管道的破裂强度和疲劳寿命随着冲击能量的增加而降低。Memduh及其合作者[18]研究了在5、10和15 J受到低速冲击的预应力和非预应力plusmn; 55°GRP管的破坏行为。他们使用高达32巴的内部压力对GRP管进行预应力，然后再对其施加内部压力和单调爆破压力，直到失效。
Martins及其同事[19]，[20]，[21 ]对GRE管进行了内部静压实验研究，其缠绕角度为plusmn;45°，plusmn;55°，plusmn;60°和plusmn;75°。他们测试了封闭式负载条件，以首先获得泄漏失效，然后获得爆裂失效压力。此外，他们使用ABAQUS进行了渐进式故障分析，并通过用户子例程（UMAT）实施了替代损坏模型。
Sulaiman等利用有限元方法（FEM）来研究缠绕角对细丝缠绕压力容器的影响[22]。他们使用商业软件ABAQUS 6.12对复合包裹压力容器（COPV）进行了有限元分析（FEA），研究模拟了使用碳/环氧纤维增强聚合物（CFRP）的铝制压力容器的包裹性。
Samanci及其同事[23]，[24]研究了在交替的内部压力水平下，极限环向应力分别为50％，40％和30％的情况下，带有表面裂纹的plusmn; 45°缠绕复合管的疲劳行为。他们报告了破坏行为，例如纤维剥离，基体开裂，分层和纤维断裂。作为扩展，（plusmn;疲劳性能 55°）纤维缠绕复合管与下交替的内部压力的表面裂纹是由Tarakcioglu进行[25] ，[26]。他们使用了PLC控制的液压测试台并测试了玻璃钢，电子玻璃/环氧树脂制成的（GRP）管道，并在开放式条件下进行了测试。Gemi及其同事[27]进一步研究了在纯内压和30％至70％极限管道强度的载荷水平下（plusmn;75°）长丝缠绕复合管的研究。他们进行了内部静压测试，发现当施加的负载较低时，损坏会发展为发白，泄漏和最终故障，而当施加的负载较高时，管道会突然破裂。
Arikan[28]研究了在内部静压力下，具有倾斜表面裂纹的plusmn; 55°长丝缠绕复合管的失效分析，他在0°，15°，30°，60°，45°的裂纹角下进行了测试，75°和90°，裂纹厚度比a = t1/40:50。他的结论是，在对具有表面裂纹的管道进行静态测试的过程中，损坏会经历三个阶段，即先发白，再出现微裂纹，形成针孔泄漏，最后穿过破裂区域。Mertiny和合著者[29]进行了计算机控制的绕线，这是使用长丝增强的聚合物复合材料制造管状结构的最新技术，这样的结构在安装和/或操作期间经常经受复杂的应力状态。Shultz和Smith [30]研究了压力容器（尤其是管道）的最佳纤维取向，从网格分析中发现该方向，通常取为plusmn;55°，但其中忽略了矩阵的贡献。
复合材料制造商采用了短期测试，例如UEWS和层间剪切应力（ILSS）测试，以确保管道能够承受ISO回归测试要求。UEWS测试尚未标准化，但似乎为现有程序提供了有吸引力的替代方法。它的原理最早是由Shell Research在1968年研究的[31] 。UEWS测试涉及在增加的压力水平下以十个一分钟的静液压循环为一组的应用。该测试的目的是通过检查应力-应变响应来识别应力水平，低于该水平时，损坏的增长可以忽略不计，或者至少足够低，以防止设计寿命中的长期失败。尽管已经进行了先前的研究来确定复合管的性能水平，但是仍然需要一种自动化的短期测试来克服现有标准的局限性[6]。
本文讨论了便携式多轴试验台的开发，该试验台能够测试不同的轴向至环向载荷条件，并提供了一种自动短期循环载荷测试程序。在五个不同的应力比下，分别在[plusmn;45°]4，[plusmn;55°]4和[plusmn;63°]4三种不同的缠绕角度下，实验研究了循环载荷对复合管性能的影响。
前述缠绕角基于网格分析来确定针对每个应力比的最佳缠绕角。但网格分析严格地应用于内部压力下的管道，忽略了基体贡献，只考虑了纤维方向上的应力[32]，[33]。因此，对于缠绕角alpha;，直接应力为：
（1）
（2）
（3）
对于2H：1A应力比，sigma;H/sigma;A=2且；
对于1H：1A应力比，sigma;H/sigma;A=1且；
对于4H：1A应力比，sigma;H/sigma;A=4且。
这里，sigma;H是环向应力，sigma;A是轴向应力，并且alpha;是缠绕角度。
文章比较了每种负载条件下的测试实验结果和失效包络以及失效模式，此外，还详细介绍了故障的演变过程。
2.实验步骤
本节介绍了在多轴循环载荷测试过程中进行的实验工作。在我们讨论所应用的测试之前，先详细介绍管道标本和自动测试台,开发该试验台是为了适应从纯轴向到纯箍的五个应力比，再详细描述用于进行循环载荷测试的控制和监视系统以及过程。
2.1复合管制造
如图1所示，由玻璃纤维制成并用环氧树脂增强的复合管样品是在马来西亚吉打州古林市高级材料研究中心（AMREC）通过细丝缠绕工艺制成的，采用马来西亚标准与工业研究院（SIRIM），制造了长度为1050mm，内径为100 mm，缠绕角度为[plusmn;45°] 4，[plusmn;55]4和[plusmn;63°]4的复合管。使用线密度为1200tex和直径为17mu;m的电子玻璃纤维作为增强材料，并使用陶氏化学公司提供的DER 331液态环氧树脂 用作基质材料。通过将心轴在烤箱中以恒定速度，在160°C下，旋转2 h，然后在室温下冷却，进行固化过程。表1，表2分别列出了组成材料的机械性能和复合管的物理性能。表3提供了使用经典层压理论预测的管道机械性能与实验结果之间的比较。由缠绕前后的纤维辊之间的重量差估计体积分数。通过从管子的总重量中减去纤维的重量来确定所用环氧树脂的重量。当已知纤维和环氧树脂的密度和重量时，可以计算出管道的体积分数。复合管的平均纤维体积分数约为60％。
图1 使用长丝缠绕工艺制造复合管
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资料编号：[235529]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
|
属性 |
电子玻璃 |
环氧树脂 |
|
|---|---|---|---|
|
弹性模量 |
E（GPa） |
73 |
3 |
|
剪切模量 |
G（GPa） |
29.7 |
1.1 |
|
抗拉强度 |
sigma;TS（兆帕） |
2500 |
|
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