基于渐进失效模型的RTP管力学性能分析

doi:10.19491/j.issn.1001-9278.2025.07.008

中国塑料 ›› 2025, Vol. 39 ›› Issue (7): 44-48.DOI: 10.19491/j.issn.1001-9278.2025.07.008

基于渐进失效模型的RTP管力学性能分析

王文昊¹(), 仇思源¹, 李亚娇¹, 孙靖尧¹^,²(), 吴大鸣¹^,², 王树远³, 许红¹, 盖云卿³

^1.北京化工大学机电工程学院，北京 100029
^2.有机无机复合材料国家重点实验室，北京 100029
^3.山东亚洪塑胶工业有限公司，山东临沂 276600

收稿日期:2024-07-28 出版日期:2025-07-26 发布日期:2025-07-22
通讯作者: 孙靖尧（1991-），男，博士，教授，主要从事聚合物先进制造、复合材料成型方法及装备等方面研究，sunjingyao@mail.buct.edu.cn
E-mail:wangwenhao98@foxmail.com;sunjingyao@mail.buct.edu.cn
作者简介:王文昊(1998-)，男，在读硕士研究生，主要从事功能复合材料加工制备等方面的研究，wangwenhao98@foxmail.com

Analysis of mechanical properties of RTP pipe based on progressive failure model

WANG Wenhao¹(), QIU Siyuan¹, LI Yajiao¹, SUN Jingyao¹^,²(), WU Daming¹^,², WANG Shuyuan³, XU Hong¹, GAI Yunqing³

^1.School of Mechanical and Electrical Engineering，Beijing University of Chemical Technology，Beijing 100029，China
^2.State Key Laboratory of Organic?Inorganic Composites，Beijing 100029，China
^3.Shandong Ya Hong Plastic Industry Co. ，Ltd，linyi 276600，China

Received:2024-07-28 Online:2025-07-26 Published:2025-07-22
Contact: SUN Jingyao E-mail:wangwenhao98@foxmail.com;sunjingyao@mail.buct.edu.cn

摘要/Abstract

摘要：

以一种增强热塑性复合管（RTP）为研究对象，通过Pyhton开发参数化建模脚本，使用ABAQUS建立RTP管道增强层模型，结合Hashin渐进失效准则判断增强层的失效情况。该模型能够在内压下对管道增强层的渐进失效位置进行判断，并能展现渐进失效过程。通过在内压下的RTP渐进失效模型的有限元分析，模拟了不同增强层层数和纤维缠绕角度对管道的力学性能影响。结果表明，在10 MPa内压下，4层增强层管道模型已完全能满足在该条件下的使用，其最内层纤维应力仅为1 468 MPa，Hashin失效判据也小于1。另外，纤维缠绕角度对于管道力学性能也有很大的影响，纤维承受应力随着缠绕角度的增加快速减小，当缠绕角度为±75 °时，增强层最大应力仅为816.3 MPa，相比±35 °减少了约48 %，并且Hashin失效判据仅为0.278。

关键词: 增强热塑性塑料管, 渐进失效, Hashin失效判据, 力学性能, 复合材料

Abstract:

This study investigated the mechanical behavior of reinforced thermoplastic composite pipes （RTP） under internal pressure using finite element analysis. A Python⁃based parametric modeling script was developed to establish the reinforcement layer model in ABAQUS， incorporating the Hashin progressive failure criterion to predict damage initiation and progression. The simulation analyzed the effects of reinforcement layer configuration and fiber winding angles on pipeline performance. Results demonstrated that a four⁃layer reinforcement design withstood 10 MPa internal pressure with a safety margin， exhibiting only 1468 MPa stress in the innermost fibers （Hashin criterion <1）. Furthermore， fiber orientation significantly influences mechanical performance： at ±75 ° winding angles， maximum stress reduces by approximately 48 % compared to ±35 ° configurations （816.3 MPa vs. 1 569 MPa）， with the Hashin criterion decreasing to 0.278. These findings provide valuable insights for optimizing RTP design parameters to enhance structural integrity under operational pressures.

Key words: reinforced thermoplastic pipe, progressive failure, Hashin failure criterion, mechanical property, composite

中图分类号:

TQ327

王文昊, 仇思源, 李亚娇, 孙靖尧, 吴大鸣, 王树远, 许红, 盖云卿. 基于渐进失效模型的RTP管力学性能分析[J]. 中国塑料, 2025, 39(7): 44-48.

WANG Wenhao, QIU Siyuan, LI Yajiao, SUN Jingyao, WU Daming, WANG Shuyuan, XU Hong, GAI Yunqing. Analysis of mechanical properties of RTP pipe based on progressive failure model[J]. China Plastics, 2025, 39(7): 44-48.

图/表 14

E₁/GPa	E₂/GPa	V₁₂	G₁₂/GPa	G₁₃/GPa	G₂₃/GPa
135	8.8	0.33	5.5	5.5	3.3

表1 T300碳纤维增强层材料属性1

Tab.1 T300 carbon fiber reinforced layer material properties 1

X_t /MPa	X_c /MPa	Y_t /MPa	Y_c /MPa	S_xz /MPa	S_yz /MPa
1 548	1 226	55.5	232	89.9	89.9

表 2 T300碳纤维增强层材料属性2

Tab.2 T300 carbon fiber reinforced layer material properties 2

图1 程序流程图

Fig.1 Program flow chart

图2 增强层模型示意图

Fig.2 Schematic diagram of the enhancement layer model

管内径/

管外经/

内衬层

厚度/mm

增强层

厚度/mm

缠绕角度/

管长度/

内压/

MPa

±55

300

表3 增强层模型参数

Tab.3 Enhanced layer model parameters

图3 2层增强层纤维最大应力和Hashin失效准则

Fig.3 Maximum fiber stress in layer reinforcement and Hashin failure criterion

图4 4层增强层纤维最大应力和Hashin失效准则

Fig.4 Maximum stress in fibers of 4 reinforcing layers and Hashin failure criterion

图5 8层增强层纤维最大应力和Hashin失效准则

Fig.5 Maximum stresses in fibers of 8 reinforcing layers and Hashin failure criterion

图6 4层增强层模型云图

Fig.6 4⁃layer enhancement layer model cloud diagram

图7 2层增强层模型云图效准则云图

Fig.7 2⁃layer enhanced layer model cloud

图8 2层增强层内层渐进失效图

Fig.8 Progressive failure diagram for the inner layer of a 2⁃layer reinforcement layer

图9 不同缠绕角度分布示意图

Fig.9 Schematic distribution of different winding angles

图10 不同缠绕角度的纤维最大应力

Fig.10 Maximum fiber stress at different winding angles

图11 35 °、55 °、75 °缠绕角度的纤维应力和Hashin失效准则

Fig.11 Fiber stress and Hashin failure criterion for 35 °，55 °，75 ° winding angle

参考文献 20

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基于渐进失效模型的RTP管力学性能分析

Analysis of mechanical properties of RTP pipe based on progressive failure model

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