【摘 要】
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随着现代运输工艺要求的日益提高,高压运输管道得到了越来越广泛的应用。钢管的应用由来已久,目前随着高压管道的兴起,工程中常用的方法为增加管厚与提升钢级。但钢管自重大、止裂性能差和不耐腐蚀的缺陷严重制约了其发展。纤维复合材料缠绕增强高压钢管形成的复合结构,具有承压能力强、止裂性能好、抗腐蚀性能好等优点,能够有效降低结构自重并显著提升承压性能,对其进行最佳性能的优化设计具有重要的工程实际意义。本文分别对
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随着现代运输工艺要求的日益提高,高压运输管道得到了越来越广泛的应用。钢管的应用由来已久,目前随着高压管道的兴起,工程中常用的方法为增加管厚与提升钢级。但钢管自重大、止裂性能差和不耐腐蚀的缺陷严重制约了其发展。纤维复合材料缠绕增强高压钢管形成的复合结构,具有承压能力强、止裂性能好、抗腐蚀性能好等优点,能够有效降低结构自重并显著提升承压性能,对其进行最佳性能的优化设计具有重要的工程实际意义。本文分别对纤维缠绕复合材料增强钢管（纤维增强钢管）的直管结构与弯头结构进行了结构优化设计,主要研究工作如下:（1）将纤维增强钢管与钢管、复合材料管进行对照模拟试验,通过ANSYS进行强度分析与屈曲分析,比较钢材和纤维复合材料在承载能力方面的特点和差异。结果表明,钢材抗屈曲破坏能力优于抗强度破坏能力,复合材料与之相反,纤维增强钢管能发挥两种材料的优势,取长补短。（2）提出了一种改进的混合粒子群差分进化蛙跳算法（M-PDF）,并利用数学算例验证其全局寻优能力。对纤维增强钢管直管结构,在内压-弯矩的组合荷载工况下,以纤维角度、纤维层厚度、钢层厚度为设计变量,以不发生强度破坏和屈曲失效为约束条件,以结构最小质量为目标函数构建优化模型。结果表明在不降低承载能力的情况下,M-PDF的优化结果使结构自重降低了47.91%。M-PDF算法与PSO和DE相比,具有更好的全局寻优能力,在处理较高维问题时优势明显。（3）对纤维增强钢管弯头结构,依据纤维缠绕路径建立了有限元模型,结合Kriging代理模型,以单位质量承载能力最大化为目标进行优化分析和设计。结果表明弯头圆环段起始端的纤维最优铺层角度应处在50度至55度之间为宜。相对于直管而言,弯头结构承受弯矩的能力大大降低,可采用适当增加弯头曲径比与改进工艺增大纤维滑移系数的方式提升结构性能。
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