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自20世紀(jì)40年代第一條玻璃鋼管道安裝用于防化學(xué)腐蝕以來，復(fù)合材料管道得到了迅速發(fā)展。目前，玻璃鋼管道已進(jìn)入成熟階段，成為通用管道。由于采用纖維纏繞復(fù)合材料彎管具有強(qiáng)度高、模量高、質(zhì)量穩(wěn)定、生產(chǎn)效率高和成本低等特點(diǎn)，并已經(jīng)成為發(fā)達(dá)國家主要的彎管成型工藝。我國從20世紀(jì)70年代初開始小批量生產(chǎn)玻璃鋼管道，工藝以纏繞和手糊為主。近年來，我國也開始采用纖維纏繞方式進(jìn)行復(fù)合材料彎管的生產(chǎn)。目前，對于纖維纏繞結(jié)構(gòu)工藝的研究較多，例如:纖維纏繞過程中的曲面架空問題；纖維纏繞過程中的張力；纖維纏繞圓柱殼的前屈曲變形問題；通過考慮材料的非線性因素，對纖維纏繞殼體的變形進(jìn)行分析和計(jì)算；以及對纖維纏繞壓力容器結(jié)構(gòu)，基于網(wǎng)絡(luò)理論，給出了纖維纏繞圓筒壓力容器和封頭爆破壓強(qiáng)的計(jì)算方法，并給出了用模擬實(shí)驗(yàn)壓力容器確定纖維發(fā)揮強(qiáng)度的方法。
本文提出采用商用有限元分析軟件ANSYS，利用其中的層合板單元，對纖維纏繞復(fù)合材料彎管的強(qiáng)度進(jìn)行分析，并進(jìn)一步預(yù)測了彎管的破壞壓力。通過與試驗(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)證了分析模型和分析方法的有效性，為分析纖維纏繞彎管結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度提供了一種有效的途徑，該方法可為纖維纏繞結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)提供有價(jià)值的參考。
將彎管視為層合板，鋪層為[(±α)4]T，彎管最薄處為6.2 mm，最薄處鋪層的平均厚度為0.775mm。將整個(gè)彎管共劃分為9 264個(gè)節(jié)點(diǎn)和3 234個(gè)單元。其中彎管復(fù)合材料結(jié)構(gòu)部分采用SHELL99單元類型，其直管段沿圓周方向劃分為44個(gè)單元，沿軸向劃分為10個(gè)單元，兩段直管段共分為880個(gè)單元；90°彎管段沿圓周方向分為44個(gè)單元，沿母線方向劃分為48個(gè)單元，共計(jì)分為2112個(gè)單元。彎管的兩個(gè)端部為金屬板，厚度為10 mm，采用SHELL63單元，共劃分為242個(gè)單元。有限元分析的網(wǎng)格如圖1所示。
由于90°彎管段在纏繞過程中，其厚度和纏繞角隨著坐標(biāo)的變化而變化。因此，在生成單元時(shí)，采用直接生成方法，即先依次給出各節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，然后由節(jié)點(diǎn)生成單元，并指定單元的厚度和鋪層角度。每一個(gè)單元即為一個(gè)層合板，其鋪層均為8層，每一層的厚度和纏繞角取纖維纏繞芯模時(shí)布滿一次的平均厚度和平均纏繞角。彎管兩端固支，內(nèi)壓為0.6 MPa。應(yīng)力分析結(jié)果如圖2和圖3所示。圖2給出了彎管軸向應(yīng)力的分布圖，從圖2中可以看出，軸向應(yīng)力最大值為6.06MPa，位于最大曲率處，較小的軸向應(yīng)力位于曲率最小處，而且軸向應(yīng)力沿彎管由中心向兩端逐漸減小。圖3給出了彎管周向應(yīng)力的分布，其中最大的周向應(yīng)力為16 MPa，最小的周向應(yīng)力為5.99 MPa，均位于彎管中與直管相連接處附近。
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