CN109084094A - 一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，属于热塑性复合管技术领域。本发明的复合管为三层结构，内衬层为热塑性树脂、中间为纤维增强层、外层为热塑性树脂，研究复合管中三层材料的相关性能参数及温度对复合管的应力应变关系的影响，从而得到复合管热膨胀系数与各独立组分热膨胀系数的关系，建立复合管热膨胀系数的预测模型。本发明采用了以上技术方案，可根据复合管三层结构中各材料的热膨胀系数、拉伸弹性模量、泊松比、体积分数、缠绕角度及厚度等参数，方便准确的预测复合管的热膨胀系数。

Description

一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法

技术领域

本发明涉及热塑性管道技术领域，具体涉及一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法。

背景技术

热膨胀系数是复合管道在安装过程中需要考虑的热性能之一，在复合管应用过程中，其热胀冷缩性能对管道的长度设计有很重要的影响，尤其是管道长度过大时，需要在管道连接处设计伸缩节，来调整管道安装时因长度的变化而引起的管道破坏现象。复合管的增强层厚度可根据管道工作压力的使用要求进行设计，从而其缠绕角度也可以发生对应的变化，缠绕角度发生变化，其热膨胀系数就发生相应的变化。目前已公开的文献中关于缠绕玻璃钢管道的热膨胀系数分析方法，该方法是用来预测全复合结构，相当于本发明专利中的增强层，并不包含内外塑料层的多层复合管结构。因此，建立一种方便的多层复合管热膨胀系数预测方法，可以减轻复合管设计人员工作量，对于控制复合管的破坏具有重要意义。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的在于提供一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法。

本发明的技术方案如下：

一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其中热塑性复合管包括热塑性树脂内衬层、纤维增强层及热塑性树脂外层，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：确定增强层纤维带缠绕方向的热膨胀系数：

其中：α₁为增强层纤维缠绕方向的热膨胀系数，α_f为增强层纤维的热膨胀系数，E_f为增强层纤维的拉伸弹性模量，v_f为增强层纤维的体积分数；α_m为增强层树脂的热膨胀系数，E_m为增强层树脂的拉伸弹性模量，v_m为增强层树脂的体积分数；

步骤2)：由上式(1)确定增强层与纤维带缠绕垂直的方向热膨胀系数：

α₂＝v_f(1+v_f)α_f+v_m(1+v_m)α_m-(v_fv_f+v_mv_m)α₁ (2)

其中：α₂为增强层与纤维缠绕垂直的方向热膨胀系数，v_f为纤维的泊松比，v_m为热塑性树脂的泊松比；

步骤3)：由上式(1)、(2)确定复合管增强层和内外塑料层的热应力：

增强层沿着纤维缠绕方向单位温差热应力为：

增强层垂直纤维缠绕方向单位温差热应力为：

其中v₁为纤维带沿着纤维方向的泊松比，v₂为纤维带垂直纤维方向的泊松比，E₁为纤维带沿着纤维方向的拉伸弹性模量，E₂为纤维带垂直纤维方向的拉伸弹性模量；

复合管增强层轴向热应力为：

R_x＝R₁m²+R₂n² (5)

复合管增强层横向热应力为：

R_y＝R₁n²+R₂m² (6)

其中m＝cosθ,n＝sinθ，θ为增强层缠绕方向角。

复合管内衬层的热应力为：

复合管外层的热应力为：

其中v_n为复合管内衬层塑料的泊松比，v_w为复合管外层塑料的泊松比，α_n为复合管内衬层塑料的热膨胀系数，α_w为复合管外层塑料的热膨胀系数，E_n为复合管内衬层塑料的拉伸弹性模量，E_w为复合管外层塑料的拉伸弹性模量。

步骤4)：确定复合管增强层偏轴刚度矩阵及复合管内外层刚度矩阵：

复合管增强层偏轴刚度矩阵表达式为：

增强层偏轴刚度矩阵与正轴刚度矩阵关系为：

G₁₂为复合管增强层层间剪切模量；

复合管内衬层刚度矩阵为：

复合管外层刚度矩阵为

步骤5)：确定复合管轴向热膨胀系数：

其中：

A_ij为复合管(包含内衬层、增强层和外层)拉伸刚度矩阵；k为复合管内衬层、增强层各单层及外层。

N_x为复合管(包含内衬层、增强层和外层)轴向热应力，N_y为复合管(包含内衬层、增强层和外层)横向热应力。

t_k为第k层厚度，包括复合层各单层以及内衬层和外层塑料层。

所述的一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其特征在于，所述纤维增强层中纤维带采用的增强材料为连续玻璃纤维、连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续钢纤维或连续聚酯纤维。

所述的一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其特征在于，所述复合管增强层、内衬层及外层所用的热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚偏二氟乙烯。

所述的一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其特征在于，所述复合管增强层中纤维体积含量为0.5-100％。

本发明的有益效果是：通过以上技术方案，可根据复合管三层结构中各材料的热膨胀系数、拉伸弹性模量、泊松比、体积分数、缠绕角度及厚度等参数，准确的预测复合管的热膨胀系数，防止管道在安装过程中的因长度的变化而引起的管道破坏现象，提高了管道在安装过程中的可靠性。

具体实施方式

下面对本发明作进一步的描述，但本发明的保护范围并不仅限于此。

本发明的复合管为三层结构，内衬层为热塑性树脂、中间为纤维增强层、外层为热塑性树脂，研究复合管中三层材料的相关性能参数及温度对复合管的应力应变关系的影响，从而得到复合管热膨胀系数与各独立组分热膨胀系数的关系，建立复合管热膨胀系数的预测模型。本发明采用了以上技术方案，可根据复合管三层结构中各材料的热膨胀系数、拉伸弹性模量、泊松比、体积分数、缠绕角度及厚度等参数，方便准确的预测复合管的热膨胀系数。

一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其中热塑性复合管包括热塑性树脂内衬层、纤维增强层及热塑性树脂外层，包括以下步骤：

步骤1)：确定增强层纤维带缠绕方向的热膨胀系数：

其中：α₁为增强层纤维缠绕方向的热膨胀系数，α_f为增强层纤维的热膨胀系数，E_f为增强层纤维的拉伸弹性模量，v_f为增强层纤维的体积分数；α_m为增强层树脂的热膨胀系数，E_m为增强层树脂的拉伸弹性模量，v_m为增强层树脂的体积分数；

步骤2)：由上式(1)确定增强层与纤维带缠绕垂直的方向热膨胀系数：

α₂＝v_f(1+v_f)α_f+v_m(1+v_m)α_m-(v_fv_f+v_mv_m)α₁ (2)

其中：α₂为增强层与纤维缠绕垂直的方向热膨胀系数，v_f为纤维的泊松比，v_m为热塑性树脂的泊松比；

步骤3)：由上式(1)、(2)确定复合管增强层和内外塑料层的热应力：

增强层沿着纤维缠绕方向单位温差热应力为：

增强层垂直纤维缠绕方向单位温差热应力为：

其中v₁为纤维带沿着纤维方向的泊松比，v₂为纤维带垂直纤维方向的泊松比，E₁为纤维带沿着纤维方向的拉伸弹性模量，E₂为纤维带垂直纤维方向的拉伸弹性模量；

复合管增强层轴向热应力为：

R_x＝R₁m²+R₂n² (5)

复合管增强层横向热应力为：

R_y＝R₁n²+R₂m² (6)

其中m＝cosθ,n＝sinθ，θ为增强层缠绕方向角。

复合管内衬层的热应力为：

复合管外层的热应力为：

其中v_n为复合管内衬层塑料的泊松比，v_w为复合管外层塑料的泊松比，α_n为复合管内衬层塑料的热膨胀系数，α_w为复合管外层塑料的热膨胀系数，E_n为复合管内衬层塑料的拉伸弹性模量，E_w为复合管外层塑料的拉伸弹性模量。

步骤4)：确定复合管增强层偏轴刚度矩阵及复合管内外层刚度矩阵：

复合管增强层偏轴刚度矩阵表达式为：

增强层偏轴刚度矩阵与正轴刚度矩阵关系为：

G₁₂为复合管增强层层间剪切模量；

复合管内衬层刚度矩阵为：

复合管外层刚度矩阵为

步骤5)：确定复合管轴向热膨胀系数：

其中：

A_ij为复合管(包含内衬层、增强层和外层)拉伸刚度矩阵；k为复合管内衬层、增强层各单层及外层。

N_x为复合管(包含内衬层、增强层和外层)轴向热应力，N_y为复合管(包含内衬层、增强层和外层)横向热应力。

t_k为第k层厚度，包括复合层各单层以及内衬层和外层塑料层。

纤维增强层中纤维带采用的增强材料为连续玻璃纤维、连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续钢纤维或连续聚酯纤维。

复合管增强层、内衬层及外层所用的热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚偏二氟乙烯。

复合管增强层中纤维体积含量为0.5-100％。

该复合管热膨胀系数的预测方法考虑了各层组分热膨胀系数、拉伸弹性模量、泊松比、体积分数、缠绕角度及厚度等参数。为了验证本发明的预测效果，进行了以下验证：

连续玻璃纤维为连续E玻璃纤维，增强热塑性复合管增强层采用连续E玻璃纤维增强热塑性高密度聚乙烯，内外层热塑性塑料为高密度聚乙烯，内外层层厚分别为5mm和2.5mm，中间为增强层，中间层中连续E玻璃纤维的体积含量为42％，缠绕角度为±57°，缠绕层数为2层，单层厚度为0.3mm。其内外层高密度聚乙烯及增强层材料的性能参数如表1和表2所示。

表1内外层HDPE及增强层材料性能参数

表2增强层单层的力学参数

可计算出在自由状态下复合管的轴向和横向热膨胀系数为：163.1×10^-6℃^-1，实际测试结果轴向热膨胀系数为175×10^-6℃^-1，比计算结果大7.4％，预测值与实测值之间吻合度较好，说明本发明所建立的预测方法能够较好的预测热塑性复合管的热膨胀系数。

上面对本发明实施例进行了说明，但本发明不受上述实施例的限制，可以在权利要求的范围内改动，如果在本发明技术方案的启发下做的改变、替代、组合、简化，而并非实质性的改变，只要符合本发明的目的，不背离本发明的技术原理和发明构思，都属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其中热塑性复合管包括热塑性树脂内衬层、纤维增强层及热塑性树脂外层，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)：确定增强层纤维带缠绕方向的热膨胀系数：

其中：α₁为增强层纤维缠绕方向的热膨胀系数，α_f为增强层纤维的热膨胀系数，E_f为增强层纤维的拉伸弹性模量，v_f为增强层纤维的体积分数；α_m为增强层树脂的热膨胀系数，E_m为增强层树脂的拉伸弹性模量，v_m为增强层树脂的体积分数；

步骤2)：由上式(1)确定增强层与纤维带缠绕垂直的方向热膨胀系数：

α₂＝v_f(1+v_f)α_f+v_m(1+v_m)α_m-(v_fv_f+v_mv_m)α₁ (2)

其中：α₂为增强层与纤维缠绕垂直的方向热膨胀系数，v_f为纤维的泊松比，v_m为热塑性树脂的泊松比；

步骤3)：由上式(1)、(2)确定复合管增强层和内外塑料层的热应力：

增强层沿着纤维缠绕方向单位温差热应力为：

增强层垂直纤维缠绕方向单位温差热应力为：

其中v₁为纤维带沿着纤维方向的泊松比，v₂为纤维带垂直纤维方向的泊松比，E₁为纤维带沿着纤维方向的拉伸弹性模量，E₂为纤维带垂直纤维方向的拉伸弹性模量；

复合管增强层轴向热应力为：

R_x＝R₁m²+R₂n² (5)

复合管增强层横向热应力为：

R_y＝R₁n²+R₂m² (6)

其中m＝cosθ,n＝sinθ，θ为增强层缠绕方向角。

复合管内衬层的热应力为：

复合管外层的热应力为：

其中v_n为复合管内衬层塑料的泊松比，v_w为复合管外层塑料的泊松比，α_n为复合管内衬层塑料的热膨胀系数，α_w为复合管外层塑料的热膨胀系数，E_n为复合管内衬层塑料的拉伸弹性模量，E_w为复合管外层塑料的拉伸弹性模量。

步骤4)：确定复合管增强层偏轴刚度矩阵及复合管内外层刚度矩阵：

复合管增强层偏轴刚度矩阵表达式为：

增强层偏轴刚度矩阵与正轴刚度矩阵关系为：

G₁₂为复合管增强层层间剪切模量；

复合管内衬层刚度矩阵为：

复合管外层刚度矩阵为

步骤5)：确定复合管轴向热膨胀系数：

其中：

A_ij为复合管拉伸刚度矩阵；k为复合管内衬层、增强层各单层及外层。

N_x为复合管轴向热应力，N_y为复合管横向热应力，

t_k为第k层厚度，包括复合层各单层以及内衬层和外层塑料层。

2.根据权利要求1所述的一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其特征在于，所述纤维增强层中纤维带采用的增强材料为连续玻璃纤维、连续碳纤维、连续玄武岩纤维、连续钢纤维或连续聚酯纤维。

3.根据权利要求1所述的一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其特征在于，所述复合管增强层、内衬层及外层所用的热塑性树脂为聚乙烯、聚丙烯、聚丁烯或聚偏二氟乙烯。

4.根据权利要求1所述的一种热塑性复合管热膨胀系数预测方法，其特征在于，所述复合管增强层中纤维体积含量为0.5-100％。