深水立管柔性接頭橡膠-鋼粘結(jié)界面端應(yīng)力場(chǎng)分析

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(1.深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617；2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；3.湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430064)

深水立管柔性接頭橡膠-鋼粘結(jié)界面端應(yīng)力場(chǎng)分析

陳景皓1,2，葉茂3，鄧博松2，侯廣成1,2

(1.深水油氣管線關(guān)鍵技術(shù)與裝備北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102617；2.北京石油化工學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，北京 102617；3.湖北海洋工程裝備研究院有限公司，武漢 430064)

彈性體為深水立管柔性接頭關(guān)鍵部件，與主體結(jié)構(gòu)粘結(jié)的界面端附近為易發(fā)生損傷部位，針對(duì)其破壞機(jī)理問題，采用有限元軟件ABAQUS對(duì)橡膠-鋼粘結(jié)界面端的應(yīng)力場(chǎng)及其影響因素進(jìn)行分析，結(jié)果表明：橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近應(yīng)力場(chǎng)存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并在θ=60°這一路徑上的應(yīng)力最大；改變界面端結(jié)合角可以影響橡膠-鋼粘結(jié)界面端應(yīng)力大小，但影響很小。

深水立管；柔性接頭；橡膠-鋼；界面端；應(yīng)力場(chǎng)

深水立管柔性接頭關(guān)鍵部件彈性體是主要承力結(jié)構(gòu)，為橡膠鋼復(fù)合結(jié)構(gòu)。其中，彈性體中的橡膠材料與主體粘結(jié)在一起，如圖1所示。由于在雙材料粘結(jié)界面兩端的力學(xué)屬性不同而產(chǎn)生力學(xué)參數(shù)上的不連續(xù)，使得結(jié)合材料在橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近產(chǎn)生應(yīng)力集中(如圖1編號(hào)為1、2、3、4點(diǎn)處)，結(jié)構(gòu)破壞大多從這些地方開始。

圖1 深水立管柔性接頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)

雙材料粘結(jié)界面端的研究主要集中在如何求解界面端應(yīng)力場(chǎng)的問題上。對(duì)于結(jié)構(gòu)、材料性能、受力形式比較簡(jiǎn)單的情況，國(guó)內(nèi)外學(xué)者分別采用不同的理論求得雙材料界面端應(yīng)力場(chǎng)的解[1-6]。深水立管柔性接頭彈性體這種含有橡膠超彈性材料的結(jié)構(gòu)，采用理論的方法無法得到精確解。面對(duì)這種情況，采用有限單元法對(duì)雙材料界面端應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析被認(rèn)為是一種有效的方式[7-10]。因此，為進(jìn)一步研究橡膠-鋼粘結(jié)界面端的結(jié)構(gòu)破壞機(jī)理，考慮采用有限元軟件ABAQUS并結(jié)合描述橡膠超彈性本構(gòu)關(guān)系的Mooney-Rivlin模型對(duì)橡膠-鋼粘結(jié)界面端應(yīng)力場(chǎng)進(jìn)行分析，并對(duì)影響橡膠-鋼粘結(jié)界面端應(yīng)力場(chǎng)的因素進(jìn)行參數(shù)分析。

1 橡膠-鋼粘結(jié)界面端有限元模型

1.1 幾何模型

為研究橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近應(yīng)力場(chǎng)，以及界面端結(jié)合角對(duì)橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近應(yīng)力分布的影響，建立如圖2所示幾何模型。橡膠與鋼2種材料表面粘結(jié)在一起，忽略粘結(jié)層的厚度，假設(shè)粘結(jié)層為理想界面。橡膠與鋼均確定為平板形狀，其中，中間部分為橡膠，上下部分為鋼。圖2中，θ和α分別為橡膠和鋼界面端的幾何形狀角，α取值180°，θ取值為90°。

圖2 橡膠-鋼粘結(jié)界面端有限元模型幾何尺寸

1.2 材料屬性定義

鋼彈性模量為208 GPa，泊松比為0.3。橡膠為超彈性材料，大變形的條件下，不能簡(jiǎn)單地以彈性模量來描述。描述橡膠超彈性本構(gòu)關(guān)系的模型，如Mooney-Rivlin模型、Ogden模型、Neo-Hookean模型[11]。選擇2參數(shù)Mooney-Rivlin模型。

W=C1(I1-3)+C2(I2-3)

(1)

式中：W為應(yīng)變能函數(shù)；I1和I2分別是第一、第二應(yīng)變不變量；C1和C2為常數(shù)，分別取0.390 MPa和0.344 MPa。

1.3 邊界條件與載荷定義

為了模擬橡膠-鋼粘結(jié)界面端受壓與受剪狀態(tài)，分別在上端鋼的頂部與左側(cè)加載均勻分布的位移邊界條件，大小為2 mm，并在下端鋼的底部設(shè)定為固定邊界條件。

1.4 網(wǎng)格劃分

橡膠和鋼均采用CPS4R模擬，為捕捉橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近應(yīng)力變化情況，在以界面端為圓心，2 mm為半徑的區(qū)域?qū)ο鹉z和鋼均進(jìn)行網(wǎng)格細(xì)化，見圖3。

圖3 橡膠-鋼粘結(jié)界面端有限元模型網(wǎng)格劃分

2 應(yīng)力場(chǎng)

由于彈性體的破壞都是發(fā)生在橡膠材料部分，故重點(diǎn)分析橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近橡膠材料部分的應(yīng)力場(chǎng)。按照極坐標(biāo)的形式提取橡膠界面端附近應(yīng)力場(chǎng)見圖4。

由于受壓狀態(tài)下模型的幾何形狀與受力狀態(tài)關(guān)于OY軸對(duì)稱，只需分析界面端1和界面端2附近的應(yīng)力場(chǎng)。受壓狀態(tài)和受剪狀態(tài)下橡膠界面端的應(yīng)力場(chǎng)分別見圖5、6。

圖4 橡膠材料界面端附近應(yīng)力場(chǎng)及坐標(biāo)定義

圖5 受壓狀態(tài)下橡膠界面端應(yīng)力場(chǎng)

圖6 受剪狀態(tài)下橡膠界面端應(yīng)力場(chǎng)

由圖5、6可見，2種受力狀態(tài)下橡膠界面端處的應(yīng)力相對(duì)最大，并隨著r值的增加而減小。圖5表明，界面端1與界面端3的最大應(yīng)力出現(xiàn)在θ=90°，r=0.066 7 mm處，約為2.38 MPa。相比較在θ=90°，r=2 mm處應(yīng)力最小，約為0.538 MPa。圖6表明，4個(gè)界面端的最大應(yīng)力值均出現(xiàn)在r=0 mm，約為1.1 MPa。相比較，在r=2 mm處應(yīng)力最小，約為0.27 MPa。對(duì)比θ=0°、30°、60°、90°這4條路徑上橡膠界面端附近的應(yīng)力分布情況發(fā)現(xiàn)，在θ=60°這一路徑上，橡膠界面端附近的整體應(yīng)力水平高于其他3條路徑。

3 橡膠-鋼粘結(jié)界面端應(yīng)力場(chǎng)參數(shù)

前面的分析表明,在橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近存在著明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)盡量減小橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近應(yīng)力場(chǎng)的大小,以避免結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。界面端結(jié)合角對(duì)于線彈性小變形雙材料粘結(jié)界面端附近應(yīng)力場(chǎng)有一定影響[12-13]。為此，選擇鋼界面端角(即α角)為180°、150°、120°、90°時(shí)，橡膠界面端附近應(yīng)力場(chǎng)的變化情況，并選擇θ=60°這一路徑進(jìn)行對(duì)比。以鋼界面端角為180°為基準(zhǔn)，分別用4種鋼界面端角對(duì)應(yīng)的橡膠界面端應(yīng)力與鋼界面端角為180°時(shí)橡膠界面端的應(yīng)力相減，分析鋼界面端角對(duì)橡膠界面端附近應(yīng)力場(chǎng)的影響。

從圖7可以看出,橡膠材料在受壓狀態(tài)下界面端1附近應(yīng)力在鋼界面端角為90°時(shí)最大，界面端3附近應(yīng)力在鋼界面端角為150°時(shí)最大，界面端1和界面端3附近應(yīng)力在鋼界面端角為180°時(shí)最小。

圖7 受壓狀態(tài)下橡膠界面端應(yīng)力場(chǎng)隨界面端結(jié)合角的變化規(guī)律

從圖8可以看出,橡膠材料在受剪狀態(tài)下界面端1附近應(yīng)力在鋼界面端角為90°時(shí)最大,180°時(shí)最小;界面端2附近應(yīng)力在鋼界面端角為120°時(shí)最大,180°時(shí)最小;界面端3附近應(yīng)力在鋼界面端角為180°時(shí)最大,90°時(shí)最?。唤缑娑?附近應(yīng)力在鋼界面端角為180°時(shí)最大,150°時(shí)最小。綜合以上分析表明，通過改變界面端結(jié)合角能夠改變橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近的應(yīng)力狀態(tài)，但變動(dòng)幅值相對(duì)很小。

圖8 受剪狀態(tài)下橡膠界面端應(yīng)力場(chǎng)隨界面端結(jié)合角的變化規(guī)律

4 結(jié)論

對(duì)深水立管柔性接頭橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近的應(yīng)力場(chǎng)有限元分析結(jié)果表明,在橡膠-鋼粘結(jié)界面附近存在明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象，在柔性接頭的使用過程中應(yīng)注意該區(qū)域的損傷情況。不同于線彈性小變形雙材料，通過改變界面端結(jié)合角來減小橡膠-鋼粘結(jié)界面端附近的應(yīng)力收效甚微，應(yīng)尋求其他方式。

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Stress Field Analysis of Rubber-steel Bonded Interface Corner of Deepwater Riser Flex-joint

CHENJing-hao1,2,YEMao3,DENGBo-song2,HOUGuang-cheng1,2

(1.Beijing Key Laboratory of Pipeline Critical Technology and Equipment for Deepwater Oil & Gas Development, Beijing 102617, China;2.School of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;3.Chinese Institute of Marine & Offshore Engineering (HB) Co. Ltd., Wuhan 430064, China)

Elastomer is the key component of the flex-joint of deep-water riser, which is bonded with major structure. The bonded interface corner of these two components is liable to be damaged. In order to investigate the failure mechanism, finite element software ABAQUS was used to analysis stress field of rubber-steel bonded interface corner and its influencing factor. The results showed that stress field of rubber-steel bonded interface corner would form stress concentration and the maximum stress is at the path of. The change of interface bounded angle would affect the stress magnitude of rubber-steel bonded interface corner, but this effect is small.

deepwater riser; flex-joint; rubber-steel; interface corner; stress field

P754

A

1671-7953(2017)06-0182-04

10.3963/j.issn.1671-7953.2017.06.041

2017-02-22

2017-03-27

北京市教委科研項(xiàng)目(KM201610017002)

陳景皓(1983—)，男，博士，講師

研究方向：立管疲勞與斷裂