張 進(jìn)，安 晨，武昌旭，高 強(qiáng)，魏代鋒

(1.中國(guó)石油大學(xué)(北京)安全與海洋工程學(xué)院，北京 102249; 2.上海海事大學(xué) 海洋科學(xué)與工程學(xué)院，上海 201306)

近幾年來(lái)中國(guó)LNG(liquid natural gas)需求量增長(zhǎng)迅速，于2018年已成為世界第二大液化天然氣進(jìn)口國(guó)[1]。當(dāng)前，LNG低溫復(fù)合軟管是LNG進(jìn)行卸載的關(guān)鍵裝備，不同于傳統(tǒng)的海上非黏結(jié)柔性管[2-3]以及黏結(jié)型海洋漂浮輸油膠管[4-7]，LNG低溫復(fù)合軟管是由非黏結(jié)的多層聚合膜和纖維層構(gòu)成，內(nèi)外兩層螺旋金屬鋼絲將其夾緊并形成密封的管狀結(jié)構(gòu)[8]。聚合膜層主要起到密封作用，防止LNG的滲漏，纖維層主要提供軟管的強(qiáng)度。由于LNG低溫復(fù)合軟管具有柔軟性好、重量輕、兩船間運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償高等優(yōu)點(diǎn)，可以滿足惡劣海況下LNG的輸送需求[9]，因此具有很好的應(yīng)用前景。目前國(guó)內(nèi)外僅有幾家公司具備生產(chǎn)LNG低溫復(fù)合軟管的能力[10]，且沒(méi)有具體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范可以參考。由于試驗(yàn)花費(fèi)極其昂貴，僅有國(guó)外幾家生產(chǎn)商根據(jù)EN 1474-2規(guī)范[8]對(duì)LNG低溫復(fù)合軟管進(jìn)行了認(rèn)證試驗(yàn)，但并未公開(kāi)詳細(xì)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。同時(shí)由于LNG復(fù)合軟管采用多層螺旋纏繞結(jié)構(gòu)，層與層之間存在摩擦非線性等復(fù)雜問(wèn)題，其理論研究也相當(dāng)復(fù)雜，目前國(guó)內(nèi)外對(duì)LNG低溫復(fù)合軟管的研究幾乎處于空白狀態(tài)。

目前，很多學(xué)者針對(duì)LNG金屬波紋管的力學(xué)性能展開(kāi)了研究。Yang等[11]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)LNG金屬波紋管內(nèi)襯層在拉伸及內(nèi)壓載荷作用下的受力情況進(jìn)行分析，考察了結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)軟管力學(xué)性能的影響規(guī)律。楊志勛等[12]考慮LNG波紋管材料非線性以及幾何非線性，基于ANSYS殼模型就波紋管結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)軟管彎曲力學(xué)性能的影響展開(kāi)了分析，根據(jù)相應(yīng)的靈敏度規(guī)律給出了合理的截面尺寸參數(shù)。Bardi等[13]研究發(fā)現(xiàn) LNG金屬波紋管在拉伸、彎曲以及內(nèi)壓載荷下會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的局部雙軸應(yīng)力。可見(jiàn)，前人對(duì)LNG軟管的力學(xué)特性研究主要集中在LNG金屬波紋軟管，針對(duì)LNG復(fù)合軟管的研究幾乎處于空白狀態(tài)。下文首先基于江蘇某公司生產(chǎn)的4英寸LNG低溫復(fù)合軟管，利用ANSYS里復(fù)合材料ACP專(zhuān)用模塊建立LNG低溫復(fù)合軟管精細(xì)化有限元模型；其次對(duì)LNG低溫復(fù)合軟管在拉伸、扭轉(zhuǎn)兩種軸對(duì)稱(chēng)載荷作用下的力學(xué)性能展開(kāi)深入研究，求解不同芳綸布層、不同材料主方向的應(yīng)力分布；最后改變芳綸布鋪設(shè)層數(shù)、芳綸布鋪設(shè)角度、鋼絲螺距、鋼絲直徑，對(duì)軟管拉伸剛度、扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行參數(shù)敏感性分析，得到各參數(shù)對(duì)于軟管力學(xué)性能的影響規(guī)律。相關(guān)研究成果可以為L(zhǎng)NG低溫復(fù)合軟管的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其優(yōu)化提供參考。

1 數(shù)值模型建立及求解

以江蘇某軟管有限公司生產(chǎn)的內(nèi)徑為4英寸的LNG低溫復(fù)合軟管參數(shù)為例，建立LNG低溫復(fù)合軟管有限元模型，圖1所示為該公司LNG低溫復(fù)合軟管的生產(chǎn)制造圖。LNG低溫復(fù)合軟管截面形式比較復(fù)雜，其結(jié)構(gòu)由內(nèi)向外依次包括內(nèi)螺旋鋼絲、6層纖維布、4層密封膜、6層纖維布以及外螺旋鋼絲，單根管體實(shí)際長(zhǎng)度為10 m，內(nèi)徑為100 mm，螺旋鋼絲直徑為4 mm，螺距為16 mm，纖維布與密封膜單層厚度分別為0.4 mm 以及0.1 mm。

圖1 LNG低溫復(fù)合軟管

1.1 材料參數(shù)

LNG低溫復(fù)合軟管工作在超低溫環(huán)境，內(nèi)、外螺旋鋼絲要求具有良好的低溫韌性，通常選用ASTM 316L不銹鋼。根據(jù)文獻(xiàn)[14-15]設(shè)定316L不銹鋼在常溫25 ℃以及低溫-162 ℃條件下的材料屬性，列于表1。

表1 螺旋鋼絲材料屬性

對(duì)于LNG低溫復(fù)合軟管密封層材料的選擇，要求材料在超低溫工況下具有良好的密封性和柔順度，同時(shí)考慮到耐腐蝕性與經(jīng)濟(jì)性，聚四氟乙烯是最佳選擇方案。聚四氟膜作為L(zhǎng)NG低溫復(fù)合軟管的密封層，對(duì)管體力學(xué)性能貢獻(xiàn)極低，故將其簡(jiǎn)化為線彈性材料，且不考慮溫度對(duì)其材料屬性的影響，彈性模量為800 MPa，泊松比為0.3。

LNG低溫復(fù)合軟管的纖維布增強(qiáng)層選用芳綸布Kevlar S29，其作為一種復(fù)合材料有三個(gè)主要方向：縱向“1”(纖維方向)，橫向“2”(垂直于纖維方向)，縱橫方向“3”(沿單層材料厚度方向)。何澤侃[16]通過(guò)材料力學(xué)性能試驗(yàn)獲得了常溫下芳綸布的材料參數(shù)，如表2所示。芳綸布增強(qiáng)層由芳綸紗線經(jīng)緯編織而成，可視為橫觀各向同性材料，即E1=E2，G13=G23，μ12=μ13=μ23。

根據(jù)文獻(xiàn)[17]可知，溫度對(duì)芳綸布材料屬性有著十分顯著的影響，圖2分別為常溫以及低溫工況下芳綸紗線和芳綸布的拉力—位移曲線。由圖2可知，低溫工況下芳綸布彈性模量幾乎是常溫下的兩倍，因此得到芳綸布在超低溫下的材料屬性，列于表3。

圖2 芳綸紗線和芳綸布的拉力—位移曲線

表3 -162 ℃下芳綸布材料參數(shù)

1.2 基于ACP模塊的模型建立

基于LNG低溫復(fù)合軟管的實(shí)際加工工藝，使用ANSYS的復(fù)合材料ACP模塊與靜力分析模塊聯(lián)合建模分析。

1.2.1 幾何模型建立

根據(jù)圣維南原理，截取10個(gè)螺距長(zhǎng)度的中間段管體進(jìn)行建模，從而盡可能排除軟管兩端邊界條件對(duì)中段應(yīng)力分布的影響。LNG低溫復(fù)合軟管中間層可視為薄壁結(jié)構(gòu)，采用殼體建模；纏繞鋼絲的建模相對(duì)于中間層較為簡(jiǎn)單，直接創(chuàng)建實(shí)體模型即可；軟管幾何模型如圖3所示。

圖3 LNG低溫復(fù)合軟管幾何模型

1.2.2 ACP鋪層定義

LNG低溫復(fù)合軟管增強(qiáng)層由芳綸布螺旋纏繞而成，通常用兩層鋪設(shè)角相反的芳綸布纏繞從而抵消單層的不平衡力，纏繞角度通常設(shè)為±45°，以便在壓力作用下除了滿足環(huán)向和軸向強(qiáng)度外能夠獲得扭轉(zhuǎn)平衡。使用軟件中的ACP模塊進(jìn)行中間層鋪層處理，指定芳綸布和聚四氟膜的鋪層層數(shù)、鋪層厚度、鋪層角度等。使用工具坐標(biāo)系Rosettes來(lái)定義鋪層纖維的0°參考方向，如圖4(a)中箭頭所示；使用工具坐標(biāo)系Oriented Selection Sets來(lái)定義芳綸布以及聚四氟膜的鋪層方向，圖4(b)中箭頭所指為芳綸布45°鋪設(shè)方向。

圖4 鋪層方向定義

1.2.3 網(wǎng)格劃分

經(jīng)過(guò)網(wǎng)格無(wú)關(guān)性以及收斂性分析，對(duì)于中間層，采用平均尺寸為2 mm的Shell181單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，共生成225 806個(gè)節(jié)點(diǎn)，222 896個(gè)單元，中間鋪層網(wǎng)格劃分情況如圖5(a)所示。對(duì)于內(nèi)、外螺旋鋼絲，采用平均尺寸為2.5 mm的Solid186單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，分別生成35 942個(gè)節(jié)點(diǎn)和40 818個(gè)節(jié)點(diǎn)，4 686個(gè)單元和5 322個(gè)單元，內(nèi)、外螺旋鋼絲網(wǎng)格劃分情況如圖5(b)所示。

圖5 LNG低溫復(fù)合軟管網(wǎng)格劃分

1.2.4 邊界條件

邊界條件為一端約束，一端自由，并分別在自由端施加拉伸位移以及扭轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)角位移來(lái)模擬拉伸和扭轉(zhuǎn)兩種工況。

2 結(jié)果與分析

2.1 拉伸作用下軟管的力學(xué)響應(yīng)

為了對(duì)LNG低溫復(fù)合軟管的拉伸性能進(jìn)行分析，在軟管的一端施加固定約束，另一端施加2 mm的軸向拉伸位移。提取軟管的整體變形云圖如圖6所示，內(nèi)、外螺旋鋼絲的von Mises應(yīng)力云圖如圖7所示，中間鋪層在材料主方向1以及材料主方向2上的各層應(yīng)力云圖如圖8、9所示。

圖6 LNG低溫復(fù)合軟管整體變形

圖7 內(nèi)、外螺旋鋼絲的von Mises應(yīng)力

圖8 中間鋪層材料主方向1應(yīng)力

圖9 中間鋪層材料主方向2應(yīng)力

由圖8、9可知，除2個(gè)端部外，LNG低溫復(fù)合軟管內(nèi)、外螺旋鋼絲以及中間鋪層的應(yīng)力均沿軸向、周向呈周期性分布，因此提取軟管中段一個(gè)波峰、波谷上的應(yīng)力來(lái)進(jìn)行分析，所取波峰、波谷處8個(gè)特征點(diǎn)位置如圖10所示?？紤]到聚四氟膜幾乎不承載，因此重點(diǎn)考察芳綸布的應(yīng)力響應(yīng)情況。提取1～6層以及11～16層芳綸布沿材料主方向1在8個(gè)特征點(diǎn)的應(yīng)力值，繪制不同層芳綸布應(yīng)力隨特征點(diǎn)位置的變化曲線，其結(jié)果如圖11(a)所示。

圖10 波峰波谷位置標(biāo)記

由圖11(a)可知，1～6層芳綸布的波峰處受壓，波谷處受拉；而11～16層芳綸布的波峰處受拉，波谷處受壓。這是由于1～6層芳綸布的波峰處緊貼內(nèi)螺旋鋼絲，當(dāng)LNG低溫復(fù)合軟管承受拉伸載荷時(shí)，中間層芳綸布以及內(nèi)、外螺旋鋼絲都有向內(nèi)收縮的趨勢(shì)，當(dāng)1～6層芳綸布向內(nèi)收縮時(shí)，受到內(nèi)螺旋鋼絲的擠壓作用，所以1～6層芳綸布波峰處受壓，而波谷處不受螺旋鋼絲的擠壓作用，所以表現(xiàn)為受拉。同樣的，11～16層芳綸布的波谷處，當(dāng)軟管承受拉伸載荷時(shí)，外螺旋鋼絲以及中間層芳綸布都有向內(nèi)收縮趨勢(shì)，因此11～16層芳綸布在波谷處承受外螺旋鋼絲的擠壓作用，表現(xiàn)為受壓，而波峰處不受螺旋鋼絲的擠壓作用，所以表現(xiàn)為受拉。

提取1～6層以及11～16層芳綸布沿材料主方向2在8個(gè)特征點(diǎn)的應(yīng)力值，繪制不同層芳綸布應(yīng)力隨特征點(diǎn)位置的變化曲線，其結(jié)果如圖11(b)所示。由圖11可知，材料主方向2波峰波谷處的拉壓分布以及應(yīng)力值的變化趨勢(shì)都與材料主方向1的一致。這是由于芳綸布增強(qiáng)層是由芳綸紗線經(jīng)緯平紋編織而成，在縱向以及橫向其編織密度一致，在軟管承受拉伸載荷時(shí)，芳綸布鋪層結(jié)構(gòu)以及載荷形式均基本對(duì)稱(chēng)，因此芳綸布在材料主方向1以及材料主方向2受力情況基本一致。

圖11 鋪層主方向1和2上應(yīng)力

提取12層芳綸布以及4層聚四氟膜各層沿材料主方向1以及材料主方向2上的最大應(yīng)力值，繪制中間16層鋪層的最大應(yīng)力隨層數(shù)的變化曲線圖，其結(jié)果如圖12所示。由圖12可知，層數(shù)7～10層的聚四氟膜鋪層的最大應(yīng)力非常小，幾乎為0；而1～6層以及11～16層芳綸布鋪層的最大應(yīng)力均遠(yuǎn)大于0；由此可知，聚四氟膜基本不承載，對(duì)LNG復(fù)合軟管的力學(xué)性能貢獻(xiàn)極低，主要用于防止輸送液體的滲漏；而芳綸布是軟管承擔(dān)軸向拉伸載荷的主要構(gòu)件，用于提供軟管的強(qiáng)度；分析結(jié)果與LNG復(fù)合軟管的初始設(shè)計(jì)準(zhǔn)則一致。另外由圖12可知，1～6層芳綸布沿材料主方向1與沿材料主方向2的最大應(yīng)力基本均隨層數(shù)的增加而增加，而11～16層芳綸布上的最大應(yīng)力均隨層數(shù)的增加而減小。分析結(jié)果說(shuō)明距離內(nèi)、外螺旋鋼絲越遠(yuǎn)，芳綸布鋪層上的最大應(yīng)力值越大。

圖12 鋪層最大應(yīng)力

為了分析溫度對(duì)LNG復(fù)合軟管拉伸性能的影響，計(jì)算常溫以及低溫環(huán)境下LNG復(fù)合軟管在軸向荷載線性加載過(guò)程中拉力隨位移的變化曲線，其結(jié)果如圖13所示。

圖13 LNG低溫復(fù)合軟管拉力—位移曲線

由圖13計(jì)算可知，LNG低溫復(fù)合軟管的拉伸剛度在常溫以及低溫下均為恒定值，分別為12 798.4 kN和17 664.8 kN。相比于常溫，低溫下LNG復(fù)合軟管拉伸剛度增加了約38%，這是由于相比于常溫，芳綸布與316L不銹鋼在低溫環(huán)境下的楊氏模量均顯著增加。

2.2 扭轉(zhuǎn)作用下軟管的力學(xué)響應(yīng)

為了對(duì)LNG低溫復(fù)合軟管在扭轉(zhuǎn)載荷下的力學(xué)性能進(jìn)行分析，在軟管的一端施加固定約束，在另一端施加5°扭轉(zhuǎn)角。計(jì)算得到軟管在扭轉(zhuǎn)工況下中間鋪層在材料主方向1以及材料主方向2上的各層應(yīng)力如圖14、15所示。由圖可知，在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，LNG低溫復(fù)合軟管的扭轉(zhuǎn)應(yīng)力沿管道軸向、周向均呈周期性分布，所以采用與分析拉伸作用下軟管力學(xué)性能一致的方法，即提取軟管中段一個(gè)波峰、波谷來(lái)進(jìn)行應(yīng)力分析。提取1～6層以及11～16層芳綸布沿材料主方向1在8個(gè)特征點(diǎn)的應(yīng)力值，繪制不同層芳綸布應(yīng)力隨特征點(diǎn)位置的變化曲線，其結(jié)果如圖16(a)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，奇數(shù)層芳綸布應(yīng)力為負(fù)，偶數(shù)層芳綸布應(yīng)力為正。這是由于奇數(shù)層芳綸布鋪層方向與扭轉(zhuǎn)角方向相反，芳綸布材料主方向1上纖維承受的是壓縮載荷；而偶數(shù)層芳綸布鋪層方向與扭轉(zhuǎn)角方向相同，芳綸布材料主方向1上纖維承受的是拉伸載荷；所以奇數(shù)層芳綸布應(yīng)力為負(fù)，偶數(shù)層芳綸布應(yīng)力為正。由此可知，對(duì)于成對(duì)出現(xiàn)的螺旋纏繞芳綸布，由于鋪層方向相反，其材料主方向1上不同纖維層受拉受壓情況相反。因此，在實(shí)際LNG低溫復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)對(duì)不同扭轉(zhuǎn)載荷施加方向下的結(jié)構(gòu)抗扭剛度分別進(jìn)行考慮。

圖14 中間鋪層材料主方向1應(yīng)力

圖15 中間鋪層材料主方向2應(yīng)力

圖16 鋪層主方向1和2上應(yīng)力

提取1～6層以及11～16層芳綸布在材料主方向2上8個(gè)特征點(diǎn)的應(yīng)力值，如圖16(b)所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，奇數(shù)層芳綸布應(yīng)力為正，偶數(shù)層芳綸布應(yīng)力為負(fù)。這是因?yàn)閷?duì)于經(jīng)緯編織的芳綸布，其材料主方向1與材料主方向2成90°夾角，所以若扭轉(zhuǎn)角施加方向與材料主方向1相同，則必然與材料主方向2相反，因此奇數(shù)層芳綸布材料主方向2與扭轉(zhuǎn)角方向相同，承受的是拉伸載荷，應(yīng)力為正，而偶數(shù)層芳綸布材料主方向2與扭轉(zhuǎn)角方向相反，承受的是壓縮載荷，應(yīng)力為負(fù)。

提取12層芳綸布以及4層聚四氟膜各層沿材料主方向1以及材料主方向2上的最大應(yīng)力值，繪制中間16層鋪層的最大應(yīng)力隨層數(shù)的變化曲線圖，其結(jié)果如圖17所示。可以發(fā)現(xiàn)，與軟管在拉伸載荷作用下的情況相似，聚四氟膜基本不承載，芳綸布是軟管承載的主要構(gòu)件。同時(shí)，從圖中可以發(fā)現(xiàn)，12層芳綸布在材料主方向1上的每層最大應(yīng)力值隨著層數(shù)增加呈現(xiàn)出減小—增加—減小—增加的循環(huán)變化趨勢(shì)，同樣的，12層芳綸布在材料主方向2上的每層最大應(yīng)力值隨著層數(shù)增加呈現(xiàn)出增加—減小—增加—減小的循環(huán)變化趨勢(shì)，并且奇數(shù)層芳綸布上各層沿著材料主方向1的最大應(yīng)力值大于沿著材料主方向2的最大應(yīng)力值，而偶數(shù)層芳綸布上各層沿著材料主方向1的最大應(yīng)力值小于沿著材料主方向2的最大應(yīng)力值。

圖17 鋪層最大應(yīng)力

為了分析溫度對(duì)LNG復(fù)合軟管扭轉(zhuǎn)性能的影響，計(jì)算常溫以及低溫環(huán)境下LNG復(fù)合軟管的扭矩隨扭轉(zhuǎn)角度的變化曲線，計(jì)算結(jié)果如圖18所示。由圖可知，LNG低溫復(fù)合軟管的扭轉(zhuǎn)剛度在常溫以及低溫下均為恒定值，相比于常溫，低溫下軟管扭轉(zhuǎn)剛度增加了約79%，這是因?yàn)楫?dāng)溫度降低時(shí)，管材的楊氏模量都顯著增加。

圖18 LNG低溫復(fù)合軟管扭矩—扭轉(zhuǎn)角度曲線

3 結(jié)構(gòu)尺寸敏感性分析

為了研究LNG低溫復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)其力學(xué)性能的影響，重點(diǎn)考察芳綸布鋪設(shè)角度、芳綸布鋪設(shè)層數(shù)、鋼絲螺距以及鋼絲直徑對(duì)軟管力學(xué)性能的影響規(guī)律，各參數(shù)取值如表4所示。

表4 LNG復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)參數(shù)值

3.1 芳綸布鋪設(shè)角度影響分析

保持軟管芳綸布鋪設(shè)層數(shù)12層、鋼絲螺距16 mm、鋼絲直徑4 mm不變，芳綸布鋪設(shè)角度由30°增至60°(間隔為5°)，計(jì)算不同芳綸布鋪設(shè)角度對(duì)應(yīng)的軟管拉伸、扭轉(zhuǎn)剛度，計(jì)算結(jié)果如圖19(a)所示。由圖可知，隨著芳綸布鋪設(shè)角度的增加，其拉伸剛度先減小后增加，扭轉(zhuǎn)剛度先增大后減小，兩者變化規(guī)律恰好相反。LNG復(fù)合軟管的拉伸以及扭轉(zhuǎn)剛度與軟管的位移補(bǔ)償能力相關(guān)，軟管剛度越大，其柔性越低，對(duì)應(yīng)的位移補(bǔ)償能力越小，軟管的疲勞壽命也就越差。因此在LNG復(fù)合軟管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，需綜合考慮芳綸布鋪設(shè)角度對(duì)軟管拉伸以及扭轉(zhuǎn)性能的影響從而確定芳綸布的最佳纏繞角。

圖19 芳綸布鋪設(shè)角度、鋪設(shè)層數(shù)、鋼絲螺距以及鋼絲直徑對(duì)軟管力學(xué)性能影響

3.2 芳綸布鋪設(shè)層數(shù)影響分析

LNG復(fù)合軟管增強(qiáng)層通常由兩層鋪設(shè)角度相反的芳綸布纏繞而成，保持芳綸布鋪設(shè)角度45°、鋼絲螺距16 mm、鋼絲直徑4 mm不變，芳綸布鋪設(shè)層數(shù)由10層增至16層(間隔為2層)，計(jì)算不同芳綸布鋪設(shè)層數(shù)對(duì)應(yīng)的軟管拉伸、扭轉(zhuǎn)剛度，計(jì)算結(jié)果如圖19(b)所示。從圖中可以看出，軟管軸向拉伸剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度均隨著芳綸布鋪設(shè)層數(shù)的增加而增大。在實(shí)際生產(chǎn)中，過(guò)多的芳綸布鋪設(shè)層數(shù)不利于軟管的成型，同時(shí)會(huì)增加軟管的制造成本，因此在軟管滿足強(qiáng)度性能要求的前提下，可以通過(guò)減小芳綸布鋪設(shè)層數(shù)來(lái)有效降低制造成本和改善軟管的柔性。

3.3 鋼絲螺距影響分析

保持芳綸布鋪設(shè)角度45°、芳綸布鋪設(shè)層數(shù)12層、鋼絲直徑4 mm不變，鋼絲螺距由12 mm增至24 mm(間隔為2 mm)，計(jì)算不同鋼絲螺距對(duì)應(yīng)的軟管拉伸、扭轉(zhuǎn)剛度，計(jì)算結(jié)果如圖19(c)所示。由圖可知，當(dāng)鋼絲螺距逐漸增大時(shí)，軟管的拉伸剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度逐漸減小，并且這種減小的趨勢(shì)是非線性的。這種拉伸剛度隨鋼絲螺距的非線性變化規(guī)律，主要是由于LNG復(fù)合軟管的幾何非線性引起的。因此對(duì)于LNG復(fù)合軟管的設(shè)計(jì)，在合理范圍內(nèi)增大鋼絲螺距有助于減小軟管的拉伸以及扭轉(zhuǎn)剛度，改善其柔性；但當(dāng)鋼絲螺距超過(guò)一定值時(shí)，繼續(xù)增大鋼絲螺距不僅對(duì)其力學(xué)性能改善不大，反而不利于軟管密封形成管狀結(jié)構(gòu)。

3.4 鋼絲直徑影響分析

保持芳綸布鋪設(shè)角度45°、芳綸布鋪設(shè)層數(shù)12層、鋼絲螺距16 mm不變，鋼絲直徑由3 mm增至7 mm(間隔為1 mm)，計(jì)算不同鋼絲直徑對(duì)應(yīng)的軟管拉伸、扭轉(zhuǎn)剛度，計(jì)算結(jié)果如圖19(d)所示。由圖可知，軟管的拉伸、扭轉(zhuǎn)剛度均隨鋼絲直徑的增大而增大，并且這種增大趨勢(shì)同樣呈現(xiàn)非線性的變化關(guān)系。當(dāng)鋼絲直徑較大時(shí)，可以通過(guò)減小鋼絲直徑的方式來(lái)改善軟管的柔性以適應(yīng)惡劣海況下的輸送要求；但當(dāng)鋼絲直徑較小時(shí)，則不宜再減小鋼絲直徑來(lái)減小軟管的剛度，因?yàn)闀?huì)影響螺旋鋼絲對(duì)中間層的夾緊作用，不利于軟管密封形成管狀結(jié)構(gòu)。因此設(shè)計(jì)軟管的鋼絲直徑時(shí)，應(yīng)從鋼絲對(duì)中間層的夾緊作用、軟管柔性、軟管強(qiáng)度、制造成本等多方面考慮。

4 結(jié) 語(yǔ)

1)在拉伸載荷下，LNG復(fù)合軟管中芳綸布在材料主方向1以及材料主方向2上的應(yīng)力分布情況相一致，均為1～6層芳綸布在波峰處受壓，波谷處受拉；11～16層芳綸布在波峰處受拉，波谷處受壓。并且相比于常溫，低溫工況下LNG復(fù)合軟管的拉伸剛度顯著增加。

2)在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，芳綸布在材料主方向1上，奇數(shù)層芳綸布應(yīng)力為負(fù)，偶數(shù)層芳綸布應(yīng)力為正；在材料主方向2上，奇數(shù)層芳綸布應(yīng)力為正，偶數(shù)層芳綸布應(yīng)力為負(fù)。相比于常溫，低溫工況下LNG復(fù)合軟管的扭轉(zhuǎn)剛度顯著增加。

3)芳綸布鋪設(shè)角度在30°～60°范圍內(nèi)變化時(shí)，軟管拉伸剛度隨著鋪設(shè)角度的增加先減小后增大，而軟管的扭轉(zhuǎn)剛度隨著鋪設(shè)角度的增加先增大后減??；軟管的拉伸剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度均隨著芳綸布鋪設(shè)層數(shù)的增加而顯著增大，且二者與鋼絲螺距的大小成反比，與鋼絲直徑的大小成正比。