（材料加工工程专业论文）铝塑复合管受力过程的数值模拟.pdf

华中科技大学硕士学位论文 ：= = = = = = = = = = = = = = = = = t 目= = = = = = = = = = ；= = = = = 摘要 铝塑复合管是一种集金属与塑料优点为一体的新型管材，它由五层材料复合构 成。与外界接触的内外层塑料能够避免外界的腐蚀，从而保护中间层的金属铝，同 时中间的铝层能起到承载作用。铝塑管具有质量轻、耐腐蚀等优点使得铝塑复合管 在国内广泛地被应用起来。 根据铝塑复合管中问层铝管焊接的方法不同，铝塑复合管可以分为搭接式焊接 和对接式焊接两种。 在工业生产的测试中，由于搭接式铝塑复合管的结构不均匀，在受到液压静压 的作用下，在搭接接头附近常常会出现铝塑复合管破裂现象。为了解释其破坏机理 以及了解影响铝塑复合管的力学性能的因素，本文采用通用有限元分析软件a n s y s 模拟了1 2 1 6 型搭接式焊接的铝塑复合管在常温静载条件下的应力应变行为，对不同 几何结构参数( 主要是内外层厚度和搭接接头的搭接长度) 的铝塑复合管的受力过程 进行模拟分析，得出了相关的结论：第一，铝塑复合管的载荷主要是由铝来承担的， 铝层的破坏与否直接决定了铝塑复合管力学性能的好坏，搭接式铝塑复合管的破坏 机理是由于在搭接接头附近出现了应力集中，导致该处首先失效，这点与实验结果相 符合。第二，中间铝层的焊接搭接头附近处存在的应力集中会使得内外层塑料发生 应变集中，应变集中对内外层塑料的失效起着重要作用。第三，铝塑复合管内外层 的厚度对其力学性能有很大的影响，一方面适当的增加内层厚度( 或外层厚度减少) 可以减少铝层的应力集中现象，另一方面却造成了内层塑料的应变增大，且其分布 更加复杂，因此需要对铝塑复合管的内外层厚度进行合理设计，找出其平衡点。第 四，中间层的搭接长度的适当增加有利于减少应力集中，并且能降低内外层塑料的 应变。 关键字：铝塑复合管搭接式接头数值模拟应力应变a n s y s 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ep o l y e t h y l e n e a l u m i n i u mc o m p o s i t ep i p ei sak i n do fn e wp i p ec o m b i n i n gt h e a d v a n t a g e so fm e t a la n dp l a s t i c i tc o n s i s t so ff i v e - l a y e rm a t e r i a l s t h ei n n e ra n do u t e r p l a s t i c u n c o v e r e do u t s i d ec a n p r e v e n t t h ep i p ef i r o me r o s i o na n dw e l l p r o t e c t t h em i d - l a y e r o fa l u m i n u m 越w e l l a n dt h e m i d - l a y e ro fa l u m i n u m c a l lc o n t r i b u t et ot h ep i p e s c a p a b i l i t yo fb e a r i n g t h ew e i g h t d u et ot h ea d v a n t a g e so fa n t i e r o s i o na n dl i t t l ew e i g h t ， t h en e w p i p ei sw i d e l y u s e di ni n d u s t r yi no u rc o u n t r y t h ep o l y e t h y l e n e a l u m i n i u m c o m p o s i t ep i p e c a nb ec l a s s i f i e di n t ot w o t y p e s a c c o r d i n gt ot h ew e l d i n gm e t h o du s e di nt h em i d l a y e ro f a l u m i n u m t h et w ot y p e sa r e r e s p e c t i v e l yo v e r l a p p e dp o l y e t h y l e n e a l u m i n i u mc o m p o s i t ep i p e a n d a d j o i n i n g p o l y e t h y l e n e - a l u m i n i u mc o m p o s i t ep i p e d u et ot h eu n e v e ns t r u c t u r eo ft h ep i p e ，d u r i n gt e s t i n gt h e p i p e sc a p a b i l i t yb y p u s h i n gt h ew a t e rp r e s s u r e ，t h ep i p ea l w a y si sd e s t r o y e dn e a rt h eo v e r l a p p e dj o i n t i n o r d e rt o e x p l a i nt h e d e s t r u c tm e c h a n i s ma n dl e a r na b o u tt h ef a c t o r s a f f e c t i n gt h e m e c h a n i c a lc a p a b i l i t y , t h ea n s y ss o f t w a r ei su s e di nt h i sp a p e rt os i m u l a t et h et y p eo f 1 2 1 6 p i p e st e s t i n gp r o c e s su n d e r t h ev a r i o u sg e o m e t r i c a ls t r u c t u r ep a r a m e t e r s ( m a i n l yt h e t h i c k n e s so ft h ei n n e ra n do u t e rl a y e r sa n dt h el e n g t ho ft h eo v e r l a p p e dj o i n t ) t h er e s u l t s d e m o n s t r a t e st h a tf i r s t l y , t h em i d l a y e ro fa l u m i n i 啪b e a r st h ew e i g h ta n dt h ed e s t r u c to f t h ea l u m i n i u mc a nd i r e c t l yr e s u l ti nt h ed e s t r u c to ft h ew h o l ep i p e t h ed e s t r u c t m e c h a n i s mi si n t e n s i f i e ds t r e s sn e a rt h eo v e r l a p p e dj o i n tw h i c hc a nr e s u l ti nt h ed e s t r u c t o ft h ep i p e s e c o n d l y ，t h ei n t e n s i f i e ds t r e s sc a nr e s u l ti nt h ei n t e n s i f i e ds t r a i no f t h ei n n e r a n do u t e rl a y e r sn e a rt h ea r e ao ft h ei n t e n s i f i e ds t r e s s t h ei n t e n s i f i e ds t r a i np l a y sa l l i m p o r t a n tr o l ei nt h ed e s t r u c to f t h ep i p e t h i r d l y , t h et h i c k n e s so f t h ev a r i o u sl a y e r si st h e m o s ti m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h ep i p e sm e c h a n i c a lc a p a b i l i t y t h ei n c r e a s eo ft h ei n n e r l a y e r st h i c k n e s s o no n eh a n dc a n d e c r e a s et h ei n t e n s i f i e ds t r e s so ft h em i d l a y e ra n do n t h eo t h e rh a n di tc a ni n c r e a s et h es t r a i no ft h ei n n e r l a y e ra n dm a k et h es t r a i no f t h ei n n e r l a y e r m o r e c o m p l e x t h e r e f o r e ，i t i s n e c e s s a r y t oc o n d u c to p t i m u m d e s i g n o ft h e p o l y e t h y l e n e a l u m i n i u mc o m p o s i t ep i p e t ob a l a n c et h ee f f e c to ft h ei n n e ra n do u t e r t h i c k n e s s f i n a l l yt h ep r o p e ri n c r e a s eo ft h eo v e r l a p p e dj o i n t sl e n g t hc a nd e c r e a s et h e s t r e s si n t e n s i o na sw e l la st h es t r a i no fo u t e ra n di n n e r l a y e r s k e yw o r d s ：p o l y e t h y l e n e - a l u m i n i u mc o m p o s i t ep i p e o v e r l a p p e dj o i n t n u m e r i c a ls i m u l a t i o ns t r e s s sa n ds t r a i na n s y s i i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已 经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确 方式标明。本人完全意识到，本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：旁制t 日期：御年年月坊目 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授 权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采 用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于不保密o ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：咖 日期：如( ：| 年彩月犷 指导教师签名：丑1 1 灸荡 日期：沙垆够月妒 华中科技大学硕士学位论文 l 绪言 铝塑复合管是一种集金属与塑料优点为一体的新型管材。这种管材最早由英国 工程师i t z h a kb a r n o a a h 申请专利，后经历荷兰k i t e c h 公司，德国u n i c o r 公司等 在管材结构、加工设备的设计与制造方面进行不断改进，使这种管材的性能不断提 高，价格不断降低，因而，在9 0 年代初就成功地在欧洲及澳洲实现了商品化应用”1 。 在我国，广东、上海及安徽三地从德国引进了超声波焊式铝塑复合管生产线；推动 了铝塑复合管在中国的应用及发展。1 9 9 7 年底，国内开发了超声波搭焊式铝塑复合 管生产线；1 9 9 8 年上半年国内又开发出氩弧焊对接式铝塑复合管的生产线，从而使 铝塑复合管的生产及应用在国内出现了快速发展。 铝塑复合管与金属、水泥等传统材料管道相比，具有质量轻、耐腐蚀、导热系 数低、绝缘性能好、内壁不结垢，流动阻力小、不生锈、不生苔、易着色、易加工、 不需涂装、施工安装和维修方便等优点“1 ，与金属管相比，在生产和使用过程中的能 耗都低”1 。铝塑复合管由五层材料复合构成4 1 ，外壁和内壁均为化学交联聚乙烯，中 间为一层厚约0 2 i i n 薄铝板焊接管；铝管和内外层聚乙烯之间各由一层粘合剂牢固 粘结e 这种结构的铝塑复合管具有质量轻、强度高、耐腐蚀等优良性能。其质量仅 为同种规格镀锌钢管的1 1 0 ；在常温下爆破压力可达到6 m p a ：可耐大多数强酸强碱 的腐蚀；可以在9 5 e 温度，小于1 m p a 压力下长期工作。最高使用温度可达到1 1 0 c ； 使用寿命可达到5 0 年：由于中间夹有铝层，因而可以使氧气渗透率达到零；聚乙烯 的摩擦系数极小，对液体的阻力仅仅为普通管韵1 5 ，具有很好的输送能力”3 。由于 铝层具有很好的可塑性，因而可使管材很容易地伸直和弯曲，并且保持不回弹。 因此，工业发达国家早在2 0 世纪3 0 年代就开始生产应用铝塑复合管。目前在 工业发达的国家已经广泛应用铝塑复合管，我国现在也正在大力发展铝塑管，使之 服务于国民经济建设”1 。 但是，由于对铝塑复合管自身结构的不了解，使得铝塑复合管在生产中存在严 重的质量隐患。3 。这样生产出来的铝塑复合管性能大大降低，使用寿命减小。为此需 要对生产出来的铝塑复合管进行测试，对于铝塑复合管性能测试的一个非常重要的 方面就是对其进行液压测试。通常这样使得企业的成本大大上升丽且检测效率低下。 既然对铝塑复合管自身结构了解不够而导致铝塑复合管性能出现问题，那就有必要 在生产之前，对铝塑复合管的结构进行合理设计，并给以检验，从而为生产提供重 1 华中科技大学硕士学位论文 要的信息，这样可以节约成本，减少开发周期，从而提高效率。数值模拟技术在这 方面提供了非常有效的解决办法，通过预先模拟不同结构的铝塑复合管的测试过程， 从而为生产提供一个量化依据，进而进行更加合理的设计。随着数值模拟技术的日 渐成熟，计算机软硬件的迅猛发展，使得这种分析更加可行州。 i i 数值模拟技术在工程中的应用 随着社会的进步和科学的发展，人们的计算手段已经发生了巨大的变化。从粗略 的感性估计到精确的数值分析，越来越强大的计算手段使人们在改造世界的路途上 变得更加得心应手“。在科学技术领域，很多力学以及物理问题，人们已经得到了 它们应遵循的基本方程和定解条件。但是能用解析方法求出精确解的只有少数性质 比较简单，而且几何形状相当规则的问题。对于大多数问题，由于方程的某些特征 的非线性性质，或者由于所要求解的区域的几何形状比较复杂，很难得到解析解。 解决这类问题的方法通常有两种途径1 。一种是引入简化假设，将问题方程和边界 条件简化成易求解的情况，从而得出近似解。但这种方法只是在有限的情况下，因 为过多的简化可能使问题的求解变得误差太大，甚至产生错误。随着计算机的飞速 发展，于是人们寻求了另外一种方法数值解法。如今，数值解法已经成为了科 学技术问题的主要工具1 。 蓬勃发展的数值方法又分为两种方法“3 “1 。一是以有限差分为代表。其特点是直 接求解问题的基本方程和相应定解条件的近似解。有限差分的基本步骤如下：首先 把求解域网格化，然后在网格的节点上用差分方程来近似微分方程。现在有限差分 法主要用于流体力学问题上，在应用固体力学时，当几何形状比较复杂时，它的精 度降低，甚至发生困难。第二类数值分析方法就是有限单元分析方法。有限元的基 本方法就是将连续的求解区域离散化为一组有限个数、且按照一定方式相互连接在 一起的单元组合体。由于单元能按照不同的组合方式连接，且单元本身又可以有不 同的形状，因此可以模型化几何形状复杂的求解域。有限元法作为数值分析方法的 另一个重要的特点是利用在每一个单元内假设的近似函数来分段的表示全部求解域 上待定的未知场函数。单元内的近似函数通常由未知场函数或其导数在单元的各个 节点的数值及其插值函数来表示。这样，一个问题的有限元分析中，未知函数或其 导数在各个节点上的数值就成为新的未知量，即是自由度。从而馒一个连续的无限 自由度问题变成了离散的有限自由度的问题。只要求解出这些未知量，就可以通过 2 。华中科技大学硕士学位论文 插值函数计算出各个单元内场函数的近似值，从而得到整个求解域上的近似解。随 着单元数目的增加，也就意味着单元尺寸的减小或者随着单元自由度的增加及插值 函数精度的提高，解的近似程度也将不断改进。如果单元是满足收敛要求的，近似 解最后将收敛于精确解。 对于目前在工程技术领域内常用的数值模拟方法而言，包括有限元法、边界法、 离散单元法和有限差分法等，就其实用性和应用的广泛性来讲，有限元法是用得最 为广泛的“。有限单元法的应用已经由弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问 题，由静力平衡问题扩展到稳定性问题、动力问题和波动问题，分析的对象从弹性 材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等，从固体力学扩展到流体力学、热 学、电磁学等领域。 数值模拟技术通过计算机程序在工程中得到了广泛的应用。尤其是以通用有限元 分析软件a n s y s 为代表的工程数值模拟软件，不断的吸取计算方法和计算机技术的 最新发展，将有限元分析、计算机图形学和优化技术相互结合，已经成为了解决现 代工程学问题必不可少的强大工具之一【m l 。 1 2 课题研究的背景及目的 铝塑复合管的结构见第二章的相关介绍，可以知道：首先搭按式铝塑复合管的 铝层由于有搭接部分，铝管的横截面不是一个完整的圆形，使得管材的截面形状和 管材壁厚非常不均匀。其次由于超声波焊机只能够焊接薄壁铝管，其厚度范围通常 为0 2 - 0 6 m m 。这样使得铝塑复合管的强度和刚度相对较低。为此工厂必须对生产出 来的铝塑复合管进行性能测试，通常，生产出来的管子在进行性能测试的时候经常 发生破裂现象。然而，对生产出的铝塑管成品进行各项性能测试和分析不能够满足 提高生产效率以及节约成本的需要，而且现在我们国家铝塑管的生产主要是依靠国 外的标准来生产的，也就是说我们只能依靠国外的已知的管径来模仿生产。这样就 带来以下几个问题： ( a ) 由于铝塑复合管内外两层的厚度未知，而厚度又是由中间铝层的外径来决定 的，故而在选择铝层的外径的时候，没有明确的选择标准，故而只能模仿国外的结 构参数。在国内也只能凭经验来选择主要的三层厚度了，至于三层厚度的比值是多 少才是最佳比值则无从而知。再者，由于中间是搭接焊接丽成，搭接量的多少也无 量化标准。这些重要的结构参数对铝塑复合管的性能都有重要的影响。选择不当会 华中科技大学硕士学位论文 引起铝塑复合管的性能大大降低。 f b ) 其次，目前生产铝塑复合管主要是依靠模具，为此当设计出新的铝塑管径时， 必须要重新开发和设计模具，然后在进行性能测试来确定改设计的合理性，从而使 得铝塑复合管从研究设计到实验以及最后投放市场使用的开发周期和开发的成本是 非常高。 ( c ) 最后就是依据铝塑管的性能标准来检验铝塑复合管的性能是否达到要求，那 么这其中必然就会涉及到破坏试验，这样也会导致成本的增加以及材料资源的浪费。 因此本课题研究主要的目的是通过通用有限元分析软件a n s y s 来进行对铝塑 复合管的受力过程进行数值模拟，通过对铝塑复合管的破裂现象进行分析，了解其 破裂机理，然后对具有不同几何结构参数的铝塑复合管进行数值模拟分析。从而可 以找出铝塑复合管三层的厚度、搭接接头的搭接长度对其受力的影响关系。这样可 以对设计铝塑复合管的三层厚度、搭接长度、模具的选择、检验的手段预先提供一 个数据参考，从而可以使得厂家减少成本、节省资源、提高效率。在这一点上来讲， 本课题的研究是具有十分重要意义的。 1 3 本课题研究的内容以及技术路线 计算机技术的飞速发展为高新技术的应用提供了必要的条件。近些年来，计算 机辅助工程( c a e ) 技术以其高效率、低成本的特点在工业中得到了非常广泛的应用 【1 7 ，1 8 】。尤其是计算机技术与有限元理论的结合使得过去很多以经验为依据、以试验 为基本方法的工艺技术阶段向模型化、普遍化和最优化为特征的工程科学阶段转变。 在用数值方法对一些结构的变形过程进行分析的基础上，利用计算机技术和有限元 方法，人们可以对结构的受力过程进行计算机数值模拟、试验优化、预检验和识别。 此外，在对构件生产前充分利用计算机对生产过程、工艺参数以及预期的生产结果 进行数值模拟，从而可以实现生产的提前规划和设计【l9 】。 目前，很多研究工作者们在对一些结构的受力行为进行模拟分析的时候，较多 的是采用针对某一特定的结构受力情况和问题来建立数学模型，自行开发计算程序。 由于其针对性比较强，所以所开发的软件结构比较简单，程序规模相对较小并且其 通用性也较小。随着有限元分析理论的快速发展和数值分析，计算机技术的进步， 六十年代末、七十年代初出现的大型通用有限元分析程序以其强大的功能、友好的 用户界面，可靠的计算结果，高效率的计算而逐渐被广大的科研工作者和工程技术 4 华中科技大学硕士学位论文 人员所采纳。 a n s y s 作为广泛应用的、通用有效的有限元软件，在结构分析中具有广阔的应 用前景 2 0 】。它具有强大的求解器和前、后处理功能，不仅为用户提供了一个优良的 工作环境，而且使得用户避免了繁琐、单调的常规有限元的编程，而起其具有很强 大的兼容性，可以为不同的用户提供良好的二次开发环境。 本课题的技术路线主要分以下步骤来进行： ( a ) 对现实世界中铝塑复合管的受力行为进行分析，简化。从而建立适合于分析 的物理模型。 ( b ) 通过对物理模型的理解，并结合铝塑复合管的结构特点确定实体模型并根据 所分析的问题进行模型假设和简化。 ( c ) 通过通用有限元分析软件a n s y s 建立实体模型，进而根据所分析的问题对 实体模型进行有限元模型的转化。计算当铝带的厚度一定、铝塑管的总厚度一定， 而内外径的厚度变化时，搭接接头处的应力应变分布图。通过比较搭接接头处的应 力应变分布图，确定应力应变大小与厚度变化之间的关系，进而来进行初步的管径 判断，为选择模具提供一定的依据。 ( d ) 利用通用有限元分析软件a n s y s 建立有限元模型，计算当铝塑复合管厚度 一定时，而中间铝层搭接接头的搭接长度发生变化时，搭接接头的应力应变分布图， 通过比较不同情况的应力应变分布来确定应力应变大小与搭接长度之间的关系，为 工艺设计提供一定依据。 技术路线如下图1 1 所示： 华中科技大学硕士学位论文 改变中间 铝层搭接 接头处的 搭接长度 对现实铝塑管实 际的问题进行分 析、总结。 将所分析的问题抽象为数学模 型，用来等效物理模型。 根据数学模型建立实体模型，然 后对实体模型进行网格划分、单 元选择，材料属性的定义。 当铝塑复合管厚度以及中间铝层 的厚度固定时，给定铝层的外径和 搭接接头的搭接长度，对有限元模 型施加压力并加以约束，求解。 根据求解。进行后处理，定义路径， 取出三层的周向和径向应力分布 进行分析。 结束 圈l - 1 技术路线图 改变铝层 的外径，亦 即内外层 塑料的厚 度发生变 化的时候。 6 华中科技大学硕士学位论文 2 铝塑复合管的结构剖析及性能影响 进入9 0 年代，随着对材料力学研究的不断深入，大量的新型边缘材料不断涌现， 铝塑复合压力管就是其中一例。由于铝塑复合管的优良的耐压性能，使之在我国高 速发展起来。但是由于对铝塑复合管的结构不够了解，使得在生产中存在着严重 的质量隐患。因此，必须对铝塑复合管自身结构有很清楚的了解，这对于生产制造 是非常有必要的。 2 1 铝塑复合管的结构特点 铝塑复合管的结构决定了这种管材兼有塑料管与金属管的特点 卯。化学性能稳定 的聚乙烯分布在与外界接触的内层与外层，而塑性及强度较好的金属层在中间位置， 因此，内外层的塑料保护中间铝层不受外界物质的侵蚀，而铝层则很好的增强了管 材的强度和塑性 9 1 。 2 2 铝塑复合管的结构组成 铝塑复合管是由五层材料复合构成。如图2 1 所示，由内向外的五层材料分别为： 高密度聚乙烯或交联高密度聚乙烯，粘结剂，铝，粘结剂，高密度聚乙烯或交联高 密度聚乙烯。为保证铝塑复合管的使用寿命，高密度聚乙烯或交联高密度聚乙烯的 基料要采用管材专用材料。铝材可以采用纯铝或含锰铝合金。粘合剂的作用是将聚 乙烯与铝牢固的粘结在一起。由于聚乙烯为非极性材料，不容易与其他材料粘结。 因而要求加工铝塑复合管的粘结剂要有与聚乙烯及铝都可粘结的性能【3 】。 图2 1 铝塑复合管结构图 1 一聚乙烯2 一粘结剂3 一铝4 一粘结挤5 一聚乙烯 华中科技大学硕士学位论文 2 3 铝塑管的生产工艺 根据铝塑复合管中间层铝管焊接方法的不同，铝塑复合管可以分为搭接式焊接 和对接式焊接两种。搭接式铝塑管结构如图2 2 所示，铝帝卷成带有重叠部分的带缝 铝管后进行焊接。这种结构的铝管通常采用大功率超声波焊机进行焊接f 2 】。对接式铝 塑复合管的结构如图2 3 所示，铝带经成形装置卷成对缝形式的铝管再进行焊接。焊 接方法可采用钨极惰性气体保护焊( t i g ) 或激光焊嘲。 图2 - 2 搭接式铝塑复合管结构图 1 一聚乙烯2 一铝3 一聚乙烯 图2 - 3 对接式铝塑复合管结构图 1 一聚乙烯2 一铝3 一聚乙烯 ( 1 ) 超声波焊接铝塑复合管 超声波焊接是利用超声波的机械振动能量，连接同种或异种金属、半导体、塑 料等的特殊焊接方法口2 1 。金属超声波焊接时，既不向工件输送电流，也不向工件引 华中科技大学硕士学位论文 入高温热源，只是在静压力的作用下将弹性振动能量转变为工件间的摩擦功、形变 能及随后有限的温升。接头问的冶金结合是在母材不发生熔化的情况下实现的。其 重要的优点就是容易焊接高热导率以及高电导率的材料i ”。比如，铜、铝等材料在电 阻点焊中是比较难焊接的，但是用超声波焊接时，这些金属都成为最容易的焊接材 料。同时由于它是一种固相焊接方法，不会引起对材料的损坏，非常适用于薄件的 焊接i ”1 。 搭接式超声波焊接铝塑复合管的铝层加工过程是将铝带卷成具有4 r a m 左右的重 叠部分的铝管，然后用超声波焊接成搭接铝管1 2 1 。这种焊接方式将两层铝片材重叠地 搭按在一起用超声焊机进行焊接，超声波焊接铝片材的原理是利用焊头部位高频纵 向振动的能量将铝材表面的氧化膜打破，在依靠焊头与涂覆机头向两层铝片材施加 压力。在压力与振动的共同作用下，将铝片材焊接在一起。由于搭接式铝管在焊接 过程中需要对两层铝片材j j l 压, 才能实现焊接，因此必须在铝管焊接部位的内部伸进 - i 日l j 性物体作为支撑点，以便于超声焊头对铝片加压。这一刚性支撑物体实际就是 铝塑复合管内涂覆机头本身。内涂覆机头为两层共挤机头，与两台挤出机相连，一 台为粘结剂挤出机，一台为聚乙烯挤出机。内涂覆机头起到两方面的作用：一方面， 作为铝管搭接焊接过程的支撑；另一方面，在焊接过程刚一结束，立即将热熔胶和 聚乙烯涂覆在铝管的内壁。搭接式铝塑复合管的工艺流程如下图2 - 4 所示： ( 2 1 激光焊对接式铝塑复合管 对接式铝塑复合管是将铝带卷成对缝管再以高频束流氩弧焊或激光焊将其焊成 铝管。采用这种工艺焊接铝管的关键技术是铝管成形及其薄铝片材熔接对焊| 9 j 。由于 熔接对焊过程不需要在铝管内放置支撑物体，因此可以先将塑料内管及内层粘合剂 涂覆到内管外表面后，再将铝带包覆塑料管进行焊接。为避免在焊接过程中焊接处 的高温引起内部聚乙烯的管变形或高温分解，在焊接时铝管的尺寸要大于内部聚乙 华中科技大学硕士学位论文 烯管的尺寸。铝管焊剂过程完成后，在将铝管直径缩小与内部聚乙烯管接触在一起。 对接式铝塑复合管的工艺流程如图2 - 5 所示： 图2 - 5 对接式铝塑复合管生产工艺流程图 2 4 铝塑复合管的各层结构受力时的功能剖析 对于由同种物质制成的管道，管道内部承压时应力是沿着径向( 厚度) 成梯度变化 的，符合l a m e 理论p 】。而对于铝塑复合管而言，沿壁厚方向的应力分布无规律，其 环向应力与各层之间的复合效果，厚度有关系。尽管铝塑复合管的五层各自受力， 共同承压的说法不够严谨，但是在一定程度上能反映出其体系的受力状态。这就使 得铝塑复合管在使用过程中的受力情况较传统的管材更加复杂。可以说，在管道中 如果在任何一层上存在问题，或者任何两层之间出现问题的话，均会导致管材的整 体性能的降低，甚至破坏 。因此，正确对待各种材料之间的关系就显得尤为重要。 下面就对铝塑复合管体系中的各层质量及其对整体管材的性能影响进行剖析。 ( 1 ) 铝层 铝层是铝塑复合管中扮演受力骨架的角色，铝层质量的好坏直接影响复合管的 承载能力。对于搭接焊接而成的铝塑管而言，该层在表面易形成氧化膜。该层氧化 膜的厚薄直接影响到成品的焊接质量，氧化膜过厚将直接导致焊接质量恶化。铝层 的厚度也是直接影响铝管强度的直接因素。通常铝层越厚则整个复合体系的强度就 越高，但是一味的追求高强度而盲目加厚铝层，在提高强度的同时，也将大大降低 铝塑复合管的综合经济效用哆】。 ( 2 ) 聚乙烯层 聚乙烯层在整个复合体系中亦占有重要地位。复合体系中聚乙烯分为内外两层， 1 0 华中科技大学硕士学位论文 部分之一。在承受很高的内压时，其应变较大，当其将较大应变及应力传递给铝层 时，极易使延展性、耐蠕交性都较差的铝层发生破坏，从而导致整个体系的崩溃。 作为最外层的聚乙烯层，仅从不同规格但是采用一致的厚度这一点来看，常常会使 得用户错误的认为：外层聚乙烯只是用来保护铝层的，对整个承压体系没有太大贡 献。但是通过对一些外层聚乙烯层壁厚不达标的铝塑复合管所作的管环拉伸强度实 验来看，其强度值比同一厂家同一型号的合格管材的管环强度值低5 1 。因此，内外层 聚乙烯塑料的厚度对强度是有很大影响的。 华中科技大学硕士学位论文 3 铝塑复合管受力过程数值模拟研究的相关理论 我们由前面的介绍可以知道，由于搭接式铝塑复合管的中间层是通过搭接焊接 而成的，由相关的焊接结构知识可以知道，在搭接接头附近处常常存在严重的应力 集中。由于铝片厚度薄，铝塑复合管的破坏处常在搭接接头附近。为此有必要对铝 塑复合管中间层的搭接接头进行分析，得出铝塑复合管中间层搭接处的应力应变分 布情况。而采用试验的方法已经不能满足生产的需要，为此我们采用了数值模拟方 法。 随着计算机软硬技术的迅猛发展，给工程分析、科学研究以至于人类社会带来 了急剧性的革命变化，数值模拟技术即为这一技术草命在工程分析、设计和科学研 究中的具体表现。数值模拟技术通过吸取现代计算数学、力学、计算机图形学和计 算机硬件发展的最新成果，根据不同行业的需求，不断扩充、更新和完善。许多工 程分析问题，如固体力学中的位移场和应力场分析、电磁学中的电磁分析、振动特 性分析、传热学中的温度场分析、流体力学中的流场分析等都可以充分利用数值模 拟技术来进行相关分析1 2 ”。常用的数值解法有差分法、有限元法等。 3 。l 差分法 差分法的基础是用差商来代替微商，相应就把微分方程变为差分方程来求解。 为了用差分方程来代替微分方程，首先必须对求解区域离散化。这样，微分方程和 边界的求解就归结为求解一个线性代数方程组，得到数值解。用不同方法定义差商 可得到一系列的差分格式：向前差分、向后差分、平均差分、中心差分等。不同的 差分格式其误差和稳定性各不相同，如向前差分是有条件稳定的，向后差分则是无 条件稳定的。所以，使用差分法的时候，要选择合适的差分格式，合理的网格划分 和步长的选择，以尽可能减少误差，保证解的精度和稳定性。差分法的研究已有较 长的历史。差分法的长处是对于具有规则的几何特性和均匀的材料特性问题，它的 程序设计和计算过程比较简单，收敛性也好。其主要的缺点就是局限于规则的网格 划分( 如正方形、长方形、正三角形等) ，从而显得不灵活，再者，差分法只看到了节 点的作用而忽略了把节点连接起来的单元的贡献【2 ”。 华中科技大学硕士学位论文 3 2 有限元法 有限元法是目前工程技术中实用性最强、应用最为广泛的数值模拟方法【2 “。它 的基本思想是将问题的求解区域划分为系列单元，单元之间仅仅依靠节点来连接。 单元内部点的待求物理量可以由单元节点物理量通过选定的函数关系插值求得。由 于单元形状简单，易于由平衡关系或者能量关系建立节点量之间的方程式，然后将 各个单元方程“装配”在一起形成总体代数方程组，加入边界条件后即可对方程组 求解。所以有限元法的实质是把具有多个自由度的弹性连续体理想简化为只有有限 个数的自由度单元集合体，使问题简化为适合于数值解法的结构形问题【2 们。其分析 过程大概分为以下几步： ( 1 ) 结构离散化 这是有限单元法的基础。所谓结构离散化就是将弹性体的区域分割成为有限个 数单元，从而离散成有限单元集合体。将现实中的结构离散为由各种单元组成的计 算模型，也即称作单元的划分。所有的计算分析都将在这个计算模型上进行。因此， 网格划分将关系到有限元分析的计算精度、运算速度以及结果的正确度 2 8 1 。一般而 言，通常在应力集中的部位或者是应力变化比较剧烈的区域要提高网格密度，同时 要注意同一结构上的网格疏密、单元大小要有过渡，避免大小悬殊的单元相连。总 的说来，如果划分单元数目足够多而且又合理，那么获得的结果就会与实际情况十 分符合。 ( 2 ) 单元特性的分析 ( a ) 选择单元位移模式 在有限单元法中，现在很多采用位移法来分析。当采用位移法时，物体或者结 构离散化之后，就可以把单元中的一些物理量如位移、应变和应力等由节点位移来 表示i ”l 。这时可以对单元中位移的分布采用一些能逼近原函数的近似函数予以描述。 通常，有限元法将位移表示为坐标变量的简单函数，这种函数称为位移函数a 根据 所选定的单元位移模式就可以导出用节点位移表示单元内任意一点位移的关系式， 因此它也决定了相应的位移插值函数，可以用下面的矩阵表示为： 办t j ( 毋。 ( 31 ) 其中，f 厂) 。表示的是单元内任意一点的位移列阵； 为形函数矩阵，它的元素为位 1 3 华中科技大学硕士学位论文 移函数。( 占) 为单元的节点位移列阵。从上面可以看出，选择合适的位移函数是有 限元分析的关键，它将决定有限元解答的性质与近似的程度9 ”。 f b ) 分析单元的力学性能 在选择了单元类型和相应的位移模式后，就可以进行单元的力学特性分析。 利用几何方程，由表达式( 21 ) 导出用节点位移表示的应变关系式： s ) = b ( 田( 3 2 ) 式中( s ) 表示的是单元内任一点的应变列阵；陋】称为应变矩阵。利用物理方程，可 以由应变的表达式( 22 ) 推出节点位移表示单元应力的关系式： 田= 【纠p 】 研= 翻( 回( 3 3 ) 式中舻) 表示的是单元内任意一点的应力矩阵；1 是与材料相关的弹性矩阵：【印是 应力矩阵。建立各个单元的刚度矩阵，即是单元节点力与节点位移之间的关系。现 利用虚功原理建立各个单元的剐度矩阵，其刚度方程为： 俾) = 世) 4 占) ( 3 4 ) 其中f 彤单元的节点力矩阵； 量) 8 即为单元冈4 度矩阵，是单元节点位移和单元节点 力之间的转换矩阵可以导出： 足】- j 【b r d b d x d y d z ( 3 5 ) 实际上( 24 ) 是一个线性代数方程组，它是由若干个方程组成，每个方程代表了在该 单元范围内某一个节点在某个自由度上力的平衡。从上面可以看出，导出单元刚度 矩阵是单元特性分析的核心内容1 3 2 】。 ( c ) 计算等效节点力 物体离散化后，假定力是通过节点从一个单元传递到另一个单元。但是，对于 实际的连续体，力是从单元的公共边传递到另一个单元中去的。因而，这种作用在 单元边界上的表面力以及作用在单元上的体积力、集中力等都需要等效移置到节点 上去，以形成等效节点载荷矩阵，也就是用等效的节点力来代替所有作用在单元上 的力。移置的方法就是按照静力等效的原则，亦是原来作用在单元上的载荷与移置 到节点上的等效载荷，在单元的任何虚位移上所做的虚功应该相等。计算公式如下： 尸) 。= 】旧) + f 7 易) d 矿+ j ：i 】7 ( 只) 枷 ( 36 ) 华中科技大学硕士学位论文 = = = = = = i = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = = ； 式中 】。为集中力 奶作用点处的形函数； 0 ) 和 只 分别为作用在单元上的体积 力和面积力。 ( 3 1 单元组集 利用结构力的平衡条件和边界条件把各个单元按照原来的结构重新连接起来， 形成整体有限元方程。整体分析的基础是依据所有相邻单元在公共点上的位移相同 和每个节点上的节点力和节点载荷保持平衡这两个原贝j j 3 2 1 。它包含两个方面的内容： 一个是由各单元的刚度矩阵集合成整体结构的总刚度矩阵 k i ；- - 就是将作用于各单 元的等效节点集合成总的载荷矩阵 r ) 。通过这两个方面就组成了整体结构的总刚度 矩阵方程或称作结构平衡方程组，如下： 埘= k 】p ) ( 3 7 ) 式中( r ，) = g ) + ( 芹) ，其中 9 ) 表示为节点f 上的集中力；( p 为各个单元在节 点i 处的等效节点载荷的总和。 f 4 1 求解未知节点位移 引进边界约束条件，修正总刚度矩阵方程后，消除总剐度矩阵的奇异性就可以 得到节点位移。在线性平衡问题中，可以根据方程组的具体特点来选择合适的计算 方法。对于非线性的问题，就要通过一系列的步骤，逐步修正刚度矩阵和载萄矩阵， 才能求得正确解答。 通过上述分析，可以看出，有限单元法的基本恩想就是“一分一合”，分就是为 了进行单元分析，合则是为了对整体结构进行综合分析【3 2 1 。 3 3 弹塑性力学的基本理论 对大多数的工程材料来说。当其应力低于比镪极限时，应力一应交关系是线性 的。另外，大多数材料在其应力低于屈服点时，表现为弹性行为，也就是说，当移走 载荷时，其应变也完全消失。 由于屈服点和比例极限相差很小，因此在a n s y s 程序中，假定它们相同。在应 力一应交的曲线中，低于屈服点的叫作弹性部分，越过屈服点的嘲作塑性部分，也 叫作应变强化部分。塑性分析中考虑了塑性区域的材料特性。 华q - 科技大学硕士学位论文 3 3 1 弹性力学的基本理论【3 3 】 在讨论弹性体之前，先作如下假设：弹性体是连续的、均匀的、完全弹性的， 而且各向是同性的。在这基础上，弹性体的应力分量与应变分量之间满足虎克定律： d ：= 萌( e x + 晚0 + 缟乞)、 q = 萌( 6 y + 赴+ 硅乞) l o - = 萌( + 珐+ 癌q )r ( 3 8 ) 勺5 缟岛，2 缟，2 缟比j 式中：办= 取1 _ + ) ( 1 2 ) ，妒：= 一) ，丸= ( 1 + p ) ，e 是弹性模量，是泊 松比。写成矩阵的形式如下： ( 3 9 ) 式中。= o 一2 哆磊( 1 一) ) ，简化写成 盯) d 】 占 ，d n n 雌n ，它完全决定于 弹性常数e 和“。 3 3 2 塑性力学的基本理论【3 3 l 类似于弹性力学，在塑性力学中进行讨论也是基于几个假设：材料是初始各向 同性的( 即初次屈服前为各向同性) 、均质、连续的；省略去变形速度等因素对应变应 力的影响，同时不考虑回弹、蠕变等时间效应。基于以上的假设，可以建立理想化 的材料模型。以下是几种常用的理想化材料模型的本构方程。 ( a ) n 想弹塑性材料：这种计算模型完全忽略了材料屈服后的加工硬化现象。 ( b ) 线性硬化弹塑性材料：这种计算模型认为材料屈服后应力应变呈现线性关系。 ( c ) 幂硬化材料：这种计算模型认为应力呈幂级数变化。 ( d ) 两段直线之间由过渡曲线相互连接的应力应变关系：这种计算模型在弹性和 塑性间用曲线连接。 6 、，j 勺殳k ，j、，i、w u n 八 o o o o o 幽 o o o o o o o o 以o o 妒声，o o o 妒o 0 o o o o ，j、l、，il联110 = 、，l， 办加以行和巧 ，、l 华中科技大学硕士学位论文 ( e ) 分段折线模型：这种模型可由单向拉伸试验的实测结果直接给出，最能逼近 真实的应力应变曲线。 ( f ) 兰伯一奥斯古的塑性应变修正方程，其具体的表达式如下： 儿堕【( 斋) “一睛1 ) m 】(310)me11 c r 11一 ， 、，j 式中占，表示的是塑性应变；m 表示的是塑性指数。 对于塑性力学，同样可以写出应力应变之间的矩阵关系式，如下所示： 盯) = 【d 】9 础( 3 1 1 ) 其中【d r 表示弹塑性矩阵，它作如下分解即为： 【d 】9 = 【d 。 d 】( 3 1 2 ) 式中 d ，表示塑性矩阵。它只是在塑