復合軟管的力學性能數值模擬

一、材料參數及有限元模型

復合軟管的整體結構主要采用低碳鋼及PE-HD制成，內管、中層包覆、外層包覆均為PE-HD，其彈性模量E=108MPa，泊松比μ=0.4；復合軟管中，螺旋鋼帶的彈性模量已由本文前述計算得出，即E=0.7×105MPa，泊松比μ=0.3。為減小模擬計算誤差，在建立鋼帶螺旋纏繞增強復合軟管的整體模型時，嚴格按照該復合軟管的設計結構及其外形尺寸   建立，選擇solid186單元作為內管、中層包覆、外層包覆模型的單元，選擇shell181單元作為螺旋鋼帶的單元。網格劃分過程中，內管、中層包覆、外層包覆采用映射網格劃分；螺旋鋼帶采用自由網格劃分。該有限元模型將用于復合軟管的單向拉伸、彎曲、扭轉的力學性能數值模擬。

二、復合軟管單向拉伸數值模擬及實驗驗證

單向拉伸數值模擬的邊界條件為了單向拉伸計算結果的準確性，在施加邊界條件時，盡量選擇與實際情況相一致的邊界條件。

具體做法如下：

(1)考慮軟管各層之間的接觸作用，除上述計算彈性模量時，在各層鋼帶之間加入接觸單元外，在軟管整體結構中的塑料管與鋼帶之間也引入了面面接觸單元，目標面為TARGE170單元，接觸面為CONTA174單元。并綜合考慮單元厚度、時間步長、法向接觸剛度以及接觸容差因子等因素對計算結果的影響，選擇出一組   為合理的參數組合；

(2)為了模擬軟管的固定情況，將模型一端所有節點的自由度全部約束；

(3)在模型的另一端施加沿軸線方向的均布載荷。采用分步加載的方式進行加載。

三、單向拉伸模擬結果分析及驗證

為選取復合軟管內部各層中間位置截面全載荷步的變形響應曲線。復合軟管在單向拉伸載荷作用下，其內部各層的變形響應趨勢基本一致，符合單向拉伸的變形規律；由PE-HD制成的內管(HDPElayer1)、中層包覆(HDPElayer2)和外層包覆(HDPElayer3)的變形比由多層鋼帶螺旋纏繞制成的螺旋鋼帶(Steeli1～i6)及(Steelii1～ii2)的變形小，這說明復合軟管內部各層所使用的材料不同會導致其抗拉剛度有所差異；此外同種材料制成的不同層之間的變形也有所不同，如：同為PE-HD的內管、中層包覆、外層包覆，橫截面積較小的內管變形較大；而橫截面積較大的外層包覆變形較小。這說明同種材料各層的抗拉剛度還與其橫截面積的大小有關。為了驗證復合軟管單向拉伸模擬結果，選用該型號的復合軟管進行單向拉伸實驗。使用拉力試驗機對復合軟管加載，記錄符合軟管端部的變形值。為復合軟管整體結構的端部模擬計算的載荷—變形曲線與實驗結果的對比圖。復合軟管在軸向拉力載荷作用下，變形比較均勻，計算值與實驗值相比其平均誤差僅為4.81%，計算結果與實驗結果吻合程度較高，數值模擬結果和實驗結果趨勢基本一致。