內壓作用下復合材料修復裂紋管道的失效分析

摘要：為準確評估在內壓作用下纖維復合材料修復含裂紋管道的有效性及失效壓力,建立復合材料修復后裂紋管道的失效數值模型。該數值模型通過擴展有限元法模擬管道裂紋的擴展,利用cohesive單元模擬膠層的脫粘失效,復合材料的失效通過最大應力失效準則進行判定。通過靜水壓爆裂試驗對所提失效數值模型進行驗證,實驗結果與數值計算結果具有較好的一致性。失效數值分析結果表明:當內壓增大至一定值后,未修復管道的初始裂紋沿軸向及壁厚方向逐漸擴展,進而使得管道內壁單元擴展成真實裂紋,此時真實裂紋貫穿整個壁厚方向,即認為裂紋管道發生爆裂失效,爆裂失效壓力隨初始裂紋半長呈指數形式下降。復合材料修復裂紋管道的不同修復工況呈現相同的失效模式:在單調遞增的內壓作用下,管道內表面首先出現黏結裂紋,而后其外表面裂紋張開趨勢急劇上升,使得復合材料層應力急劇上升,達到極限強度而失效。且對于不同的初始裂紋尺寸,存在對應的復合材料纏繞層數臨界值。