一、引言

由于具有诸如高强度重量比、耐腐蚀性、抗疲劳性以及易于制造等独特优势,复合材料在各类工程应用中日益受到重视。随着生产效率的提高和成本的降低,在许多情况下,复合材料已成为金属、木材和砖块等传统材料的可行替代品。在石油和天然气行业中,复合材料常用于制造诸如海底管道、钻杆和储罐等设备。根据具体应用场景的不同,这些结构需要承受各种载荷,包括弯曲、内部和/或外部压力、高温以及轴向和扭转载荷。多载荷耦合对复合材料结构的力学和失效预测以及不同环境的结构设计优化提出了挑战。

近日,复合材料国际知名期刊《Composite Structures》发表了由中石化中原石油工程设计有限公司和英国阿伯丁大学共同完成的有关复合材料管道在组合工况下的解析方法和结构优化研究。论文标题为“Composite pipes failure under combined axisymmetric and asymmetric loading: Semi-analytical solution and stress superposition”,阿伯丁大学微-纳材料力学中心/中石化中原设计王天宇为第一作者。该研究主要介绍了一种新颖的基于三维弹性力学的两级分析模型,用于分析承受轴向压缩、压力、扭转和弯曲组合载荷作用下厚壁复合管的力学行为。

二、内容简介

该研究围绕厚壁复合管在复杂载荷下的失效问题展开研究。作者构建了一种两级解析模型用于分析复合管的应力状态。

在计算模型构建上,一级模型依据三维弹性理论分析轴对称载荷(如压力、轴向力、扭矩)作用下的应力。通过建立位移、应变和应力的关系,求解二阶常微分方程得到应力分布表达式。二级模型则借助Lekhnitskii应力函数和变量分离法,分析非对称弯曲载荷下的应力。将两级结果叠加,即可确定复合管在组合载荷下的应力状态。

图1. 三维复合材料管道模型及耦合加载工况

为进一步验证模型,作者构建有限元模型。模型假设层间无滑动,各层为正交各向异性复合材料,选取合适的模型尺寸(管长大于四倍外半径)、网格密度(元素长宽比为4:3)和单元类型(二次缩减单元C3D20R),并模拟实际边界和载荷条件。对比结果显示,有限元模型与两级解析模型在应力分布上高度吻合。

图2. 解析法与有限元法对比验证

中石化|阿伯丁大学《CS》:组合轴对称和非轴对称载荷作用下复合管失效分析:半解析法及应力叠加法

在失效准则方面,作者采用最大应力、Tsai-Hill和Hashin三种准则,将应力分量转换到主材料坐标下评估复合管失效。例如,对于某复合管在特定载荷组合下,最大应力准则能直观判断应力是否超限,Tsai-Hill准则考虑应力交互作用,Hashin准则可区分不同失效模式(如纤维拉伸、压缩及基体拉伸、压缩等),三种准则相互补充,全面分析失效行为。

此外,作者还研究了缠绕角、堆叠顺序和载荷大小对复合管失效行为的影响。研究发现,缠绕角、堆叠顺序与弯矩均存在显著耦合效应。如在压力51.7MPa、轴向压缩133.5kN、扭矩40.7kNm的载荷组合下,[+45°/-45°]₂铺层方案抗失效性能最优;而随着弯矩从0增加到10kNm,不同缠绕角铺层的复合管失效系数变化各异。

图3. 圆周方向上管道失效系数分布,叠层顺序

为此,作者提出最大载荷图法优化设计方法,通过遍历缠绕角组合确定最优方案。结果表明,低缠绕角和中缠绕角组合在抗弯失效设计中优势明显,如和等铺层方案可有效提升复合管的抗失效能力。

图4. 最大载荷图,即优化结构结果展示

三、小结

论文针对厚壁复合管在复杂载荷下的失效问题,构建两级半解析模型计算应力状态,经有限元模型验证准确。采用三种失效准则评估失效,研究发现缠绕角、堆叠顺序和载荷间存在耦合效应。提出最大载荷图法优化设计,得出低、中缠绕角组合在抗弯失效设计中优势显著的结论,为复合管设计提供有力参考。

原始文献:

T. Wang, O. Menshykov, M. Menshykova. (2025). Composite pipes failure under combined axisymmetric and asymmetric loading: Semi-analytical solution and stress superposition. Composite Structures, 363, 119109.

原文链接:

https:///10.1016/j.compstruct.2025.119109

责任编辑:复小可