内压对19mm钢丝绳缠绕液压胶管受力性能的影响

内压对19mm钢丝绳缠绕液压胶管受力性能的影响

随着液压机技术的进步，高压管道的广泛应用范围急剧扩大，钢丝绳连接和旋转管道得到了迅速发展。近年来,还出现了压力可达30MPa以上,甚至高达100MPa的超高压胶管。由于对高压胶管结构和力学特性要求的提高,过去的设计理论已不能满足要求。根据有限元分析技术所提出的一系列新的设计理论带来了一种全新的设计理念,在有限元分析中,可将胶管视为各向异性连续体,对其结构和材料进行简化。有限元分析可以预测不同结构下胶管的性能,并可以解释原因,从而可大幅度提高胶管的设计水平和效率。由于钢丝缠绕角度不同,在相同内压作用下胶管橡胶层和钢丝所受的应力发生变化,从而导致胶管轴向和径向形变量不同。本研究考虑了胶管中橡胶材料的非线性和不可压缩性,采用Abaqus非线性有限元分析软件对钢丝缠绕液压胶管在一定内压下进行结构分析。1元模型的构建1.1单根丝网密度以下简称工艺2Φ19mm四层钢丝缠绕液压胶管(河南利通橡胶有限公司提供)的断面结构如图1所示,几何参数如下:内直径19.00mm,内胶厚度2.25mm,缠绕层厚度2.70mm,外胶厚度1.80mm,外直径32.50mm,钢丝直径0.50mm,单根钢丝理论强度540N,由内向外各层钢丝数量82,86,90,94根。在该分析中截取胶管中间部分(100mm)进行建模计算,如图2所示,其中对纯橡胶材料采用C3D8H杂交实体单元,对钢丝层采用M3H4蒙皮单元,模型共有39363个单元、46578个节点。1.2材料模型的建立本研究钢丝缠绕胶管由内、中、外胶层和钢丝层等组成,3个胶层分别使用3种各向同性的橡胶材料,钢丝骨架层视为各向异性的帘线-橡胶复合材料。胶层所用橡胶材料是能承受弹性形变、具有非线性应力-应变关系的弹性材料,其力学行为可用适当的应变能密度函数(W)描述。本研究所用的材料模型为适用于不可压缩材料的Rivlin模型。综合考虑不同变形范围内的曲线拟合效果,决定采用经过简化的Rivlin模型,即Yeoh模型。Yeoh模型的具体形式为式中,C10,C20和C30为材料参数;I1为第一应变不变量。作为一种简化的模型形式,Yeoh模型对橡胶材料在大变形范围试验数据拟合结果较好,同时也能利用单轴拉伸的试验结果预报较复杂的变形状态。本研究橡胶材料由单轴拉伸试验得到应力-应变曲线,采用最小二乘法拟合出Abaqus计算所要求的橡胶材料参数,钢丝骨架材料由拉伸试验得到的应力-应变曲线求取杨氏模量。具体橡胶材料参数C10,C20和C30如表1所示。钢丝材料杨氏模量为177GPa,泊松比为0.3。胶管中钢丝-橡胶层可以视为均一的正交各向异性材料,用加强筋模型来对其进行模拟,橡胶材料采用Yeoh模型,钢丝采用各向同性材料模型。1.3限制条件和负荷调整考虑到胶管施加压力的实际情况,边界条件为管体的一端为全约束,另一端为部分约束;载荷施加表面为管体的内表面。2结果与分析2.1胶管加压对预应力的影响胶管内压在35MPa以下,钢丝层钢丝角度均为53.5°,4层由内到外角度符号依次为+,-,+,-。管体形变和钢丝所受拉力随内压的变化曲线如图3所示。从图3可以看出,胶管加压后,管体变粗缩短,5~10MPa时,3个变量变化幅度很小,超过10MPa后,径向、轴向形变量及钢丝所受拉力趋于线性增大。施加载荷为35MPa,第1钢丝层上管体形变、钢丝所受拉力分布如图4所示,其中钢丝受力定义为钢丝断面上的应力与帘线当前截面积的乘积。从图4可以看出:钢丝层受力均匀,基本不存在应力集中现象;径向形变在管体的分布也比较均匀。2.2外两次及其它角度下,共进线以0.5为间隔变化时,共压力为5.5,有明显差异;胶管模型钢丝层角度按下述两种情况变化(从内到外钢丝层分别为1~4层,下述角度均为绝对值,实际1~4层钢丝角度符号依次为+,-,+,-)。(1)1和2层角度为53.5°,3和4层角度在53.5°~55.5°之间以0.5°为间隔变化,钢丝安全倍数分别为4.33,4.42,4.47,4.52和4.57。(2)1和2层角度为55.5°,3和4层角度在53.5°~55.5°之间以0.5°为间隔变化,钢丝安全倍数分别为4.57,4.59,4.66,4.73和4.80。两种情况下管体形变及钢丝所受拉力随外两层角度的变化趋势如图5所示。从安全倍数来看,这两种情况的计算值都在4~5之间,可初步判断所建模型符合实际情况。从图5(a)可以看出,角度排列为55.5°,-55.5°,54.5°,-54.5°时胶管发生的轴向形变最大,角度排列为55.5°,-55.5°,55.5°,-55.5°时轴向形变最小。同时当内两层角度为53.5°时,轴向形变随外两层钢丝角度增大略有增加。从图5(b)可以看出,角度排列为53.5°,-53.5°,53.5°,-53.5°时胶管的径向形变最大;角度排列为55.5°,-55.5°,55.5°,-55.5°时径向形变最小。同时径向形变随外两层钢丝角度增大而减小。从图5(c)可以看出,角度排列为53.5°,-53.5°,53.5°,-53.5°时钢丝所受拉力最大,角度排列为55.5°,-55.5°,55.5°,-55.5°时拉力最小。钢丝拉力随外两层钢丝角度的变化规律与径向形变一致。根据上述分析,为使胶管变形量最小,4层钢丝排列角度应为55.5°,-55.5°,55.5°,-55.5°,此时胶管安全倍数最高,管内钢丝受力和管体径向形变最小。3胶管内压情况下拉伸性能本研究采用Abaqus软件建立Φ19mm四层钢丝缠绕胶管模型,分析了受压过程中胶管管体形变及内部钢丝所受拉力,得到如下结论。(1)对胶管施加内压过程中,内压较小时,管体变形量很小,达到10MPa以后,轴向形变、径向形变及钢丝受力随压力增大趋于线性增大。(2)当胶管内两层钢丝角度一