基于有限元法的GRP加筋管在内压作用下的参数影响研究

基于有限元法的GRP加筋管在内压作用下的参数影响研究

李文富1 胡陈 冯亮3

辽水水利工程管理（盘锦）有限责任公司 辽宁省水利勘测设计研究院有限责任公司辽宁水利土木工程咨询有限公司

摘要：GRP管道通过在外壁间隔一定的距离设置加强筋，提高其等效刚度，加强筋的高度、宽度、间距等设计参数对其受力有重要影响。本文采用有限元方法对GRP加筋管在均布内压作用下的应力进行分析，研究了不同设计参数对GRP加筋管道应力分布的影响，得到了加强筋高度、加强筋宽度、加强筋间距、管壁厚度及内压等对GRP管道在内压作用下的环向应力和轴向应力分布的影响规律。在此基础上指出了GRP加筋管在设计中应当注意的事项，对GRP加筋管的设计具有指导意义。

关键词：GRP加筋管；有限元法；内压；应力分析

1引言

压力容器和管道是聚合物复合材料应用最为广泛的领域之一，其中玻璃钢（GRP）管道以其优异的水力性能和抗腐蚀性能已经成为传统钢管和混凝土管的有力竞争者[2-4]。GRP加筋管是一种在管道外壁等距离设置环向加强筋的聚合物复合材料管道，加强筋的存在增强了管道的环刚度，提高了材料的利用效率。然而不同于传统GRP管壁的外壁光滑平整，GRP加筋管由于加强筋的存在其外壁并不平整，其力学性能也不是沿着管道轴向呈均匀分布，而是呈现周期性变化，这就导致其受力时的应力分布情况与传统GRP管道不同，然而目前由于这一类管道在实际工程中应用很少，对于该类型管道的相关研究较少，其在内部压力下的应力分布情况尚不明确。有限元方法在GRP管道的研究和设计中应用广泛，朱央炫等[5]使用有限元法分析了GRP空心夹层管的环刚度和稳定性。综上所述，本文将采用有限元方法分析GRP加筋管道在内压作用下的应力分布情况，分析不同加筋参数对GRP加筋管道在内压作用下应力分布的影响。

2有限元模型建立

为了对内压作用下GRP加筋管的应力进行有限元数值模拟分析，使用商业有限元软件ANSYS建立了GRP加筋管的有限元分析模型如图1所示，管壁和加强筋均采用8节点实体单元SOLID185模拟。为了能够更加精确地反映加强筋对应力分布的影响，对加强筋和加强筋附近的网格进行了加密处理。为了简化分析提高计算效率，管壁和加强筋的单元在交界处以共节点方式连接。GRP管壁和加强筋均为横观各向同性材料，材料性能参数如表1所示，其中Ex为径向弹性模量，Ey为环向弹性模量，Ez为轴向弹性模量，ν和G分别为泊松比和剪切模量，且假设三个方向泊松比和剪切模量相等。为了模拟GRP加筋管受内压的工况，在管壁的内壁施加沿径向的均布内压力1.6MPa，为了避免模型在求解过程中出现刚体位移，还必须在模型的对称位置添加水平和竖直方向添加位移约束，约束模型的同时不会对求解结果产生影响。

3分析参数选择

不同于传统GRP管道，GRP加筋管道由于加强筋的存在其应力分布情况会受到加强筋参数的影响，为了分析管壁厚度、加强筋宽度、加强筋截面高度和加强筋间距等结构几何参数对管道应力分布的影响。筋宽度从50mm增加到125mm按每增加25mm为一级分为了四级；筋高度从40mm增加到70mm按每增加10mm为一级分为了四级；筋间距从500mm增加到2000mm按每增加500mm为一级分为了四级。同时还考虑了4种不同管壁厚度的影响，管壁厚度从17mm增加到32mm按每增加5mm为一级共4级。

4计算结果及分析

内压作用下主要关注的事管道结构的环向应力和轴向应力，这里分别给出不同几何参数下和不同内压作用下的环向应力和轴向应力云图。

4.1加强筋宽度对应力的影响

加筋宽度对最大环向应力基本无影响，即使当加强筋宽度从0mm（非加筋）到50mm，最大环向应力仅增加了2.29%。在加筋的情况下改变筋的宽度，对最大轴向应力也影响很小，呈现先增加后减小的趋势；但是当加强筋宽度从0mm（非加筋）到50mm，最大轴向应力大幅提升，非加筋下的最大轴向应力接近于0，基本可以忽略，一旦加筋后则轴向应力大幅提升，增大到非加筋应力的79.5倍。后面加筋高度、加筋间距从0（非加筋）到一定的数值（加筋）对最大环向应力和最大轴向应力的影响均与这里的加强筋宽度从0mm（非加筋）到50mm相似，后面就不再赘述。

4.2加强筋高度对应力的影响

随着加筋高度的增加，最大环向应力和最大轴向应力均呈现增加的趋势，且增加趋势均逐步变缓。当加筋高度从40mm增加到70mm时，最大环向应力增加了1.13%，最大轴向应力增加了39.7%，加筋高度对最大轴向应力的影响要远高于对最大环向应力的影响。

4.3加强筋间距对应力的影响

加筋间距对最大环向应力和最大轴向应力的影响均很小，当加筋间距从500mm增加到2000mm时，最大环向应力减小了2.33%，最大轴向应力减小了8.18%，因此相对而言对最大轴向应力的影响较大。

4.4管道壁厚对应力的影响

随着管壁厚度的增加，最大环向应力和最大轴向应力均呈明显减小趋势，但减小的趋势逐渐降低。分析最大轴向应力与最大环向应力的比值可以发现，该比值也呈减小趋势。

4.5不同内压对应力的影响

随着内压力的增加，最大环向应力和最大轴向应力均呈增加趋势，且基本与内压力的大小呈线性关系。

5结论

通过采用有限元分析的方法对GRP加筋管在内压作用下的应力进行了分析，研究得到了加强筋宽度、加强筋高度、加强筋间距、管壁厚度及内压力对GRP加筋管应力的影响规律。主要结论如下：

（1）相对于非加筋管道，加筋对管道的最大环向应力影响较小，但会导致管道的最大轴向应力急剧增加，在设计时必须要引起重视，提高管道的轴向强度；

（2）加强筋宽度变化对管道最大轴向应力的影响较小，基本可以忽略；加强筋间距变化对最大轴向应力有一定的影响，间距越大，轴向应力越小，需要加以考虑；加强筋高度变化对管道最大轴向应力的影响非常显著，高度越高，轴向应力越大，在设计中应适当控制加强筋高度；

（3）增加管壁厚度可以比较显著的降低最大环向应力和最大轴向应力，在设计中可适当增加管壁厚度；最大环向应力和最大轴向应力随内压力的增加基本呈线性增加。以上结论对GRP加筋管的设计具有一定的指导意义。

参考文献

[1]吴宇明, 虞锦洪, 曹勇, 李双艺, 王梦杰, 江南. 高导热低填量聚合物基复合材料研究进展[J]. 复合材料学报, 2018, 35(04): 760-766.

[2]陈建中. 复合材料缠绕制品发展情况报告[J]. 玻璃钢/复合材料, 2012(03): 94-96.

[3]李卓球, 岳红军. 玻璃钢管道与容器[M]. 北京: 科学出版社, 1990: 28-289．

[4]Rafiee R. On the mechanical performance of glass-fibre-reinforced thermosetting-resin pipes: A review[J]. Composite Structures, 2016, 143: 151-164.

[5]朱央炫, 陈建中, 吕泳, 刘菊芳, 宋鹏飞. 玻璃钢空心夹层管道及力学性能分析[J]. 玻璃钢/复合材料, 2018(11): 37-42.

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