深水立管柔性接头橡胶-钢粘结界面端应力场分析

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(1.深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室，北京 102617；2.北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；3.湖北海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430064)

深水立管柔性接头橡胶-钢粘结界面端应力场分析

陈景皓1,2，叶茂3，邓博松2，侯广成1,2

(1.深水油气管线关键技术与装备北京市重点实验室，北京 102617；2.北京石油化工学院机械工程学院，北京 102617；3.湖北海洋工程装备研究院有限公司，武汉 430064)

弹性体为深水立管柔性接头关键部件，与主体结构粘结的界面端附近为易发生损伤部位，针对其破坏机理问题，采用有限元软件ABAQUS对橡胶-钢粘结界面端的应力场及其影响因素进行分析，结果表明：橡胶-钢粘结界面端附近应力场存在明显的应力集中现象，并在θ=60°这一路径上的应力最大；改变界面端结合角可以影响橡胶-钢粘结界面端应力大小，但影响很小。

深水立管；柔性接头；橡胶-钢；界面端；应力场

深水立管柔性接头关键部件弹性体是主要承力结构，为橡胶钢复合结构。其中，弹性体中的橡胶材料与主体粘结在一起，如图1所示。由于在双材料粘结界面两端的力学属性不同而产生力学参数上的不连续，使得结合材料在橡胶-钢粘结界面端附近产生应力集中(如图1编号为1、2、3、4点处)，结构破坏大多从这些地方开始。

图1 深水立管柔性接头内部结构

双材料粘结界面端的研究主要集中在如何求解界面端应力场的问题上。对于结构、材料性能、受力形式比较简单的情况，国内外学者分别采用不同的理论求得双材料界面端应力场的解[1-6]。深水立管柔性接头弹性体这种含有橡胶超弹性材料的结构，采用理论的方法无法得到精确解。面对这种情况，采用有限单元法对双材料界面端应力场进行分析被认为是一种有效的方式[7-10]。因此，为进一步研究橡胶-钢粘结界面端的结构破坏机理，考虑采用有限元软件ABAQUS并结合描述橡胶超弹性本构关系的Mooney-Rivlin模型对橡胶-钢粘结界面端应力场进行分析，并对影响橡胶-钢粘结界面端应力场的因素进行参数分析。

1 橡胶-钢粘结界面端有限元模型

1.1 几何模型

为研究橡胶-钢粘结界面端附近应力场，以及界面端结合角对橡胶-钢粘结界面端附近应力分布的影响，建立如图2所示几何模型。橡胶与钢2种材料表面粘结在一起，忽略粘结层的厚度，假设粘结层为理想界面。橡胶与钢均确定为平板形状，其中，中间部分为橡胶，上下部分为钢。图2中，θ和α分别为橡胶和钢界面端的几何形状角，α取值180°，θ取值为90°。

图2 橡胶-钢粘结界面端有限元模型几何尺寸

1.2 材料属性定义

钢弹性模量为208 GPa，泊松比为0.3。橡胶为超弹性材料，大变形的条件下，不能简单地以弹性模量来描述。描述橡胶超弹性本构关系的模型，如Mooney-Rivlin模型、Ogden模型、Neo-Hookean模型[11]。选择2参数Mooney-Rivlin模型。

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

(1)

式中：W为应变能函数；I1和I2分别是第一、第二应变不变量；C1和C2为常数，分别取0.390 MPa和0.344 MPa。

1.3 边界条件与载荷定义

为了模拟橡胶-钢粘结界面端受压与受剪状态，分别在上端钢的顶部与左侧加载均匀分布的位移边界条件，大小为2 mm，并在下端钢的底部设定为固定边界条件。

1.4 网格划分

橡胶和钢均采用CPS4R模拟，为捕捉橡胶-钢粘结界面端附近应力变化情况，在以界面端为圆心，2 mm为半径的区域对橡胶和钢均进行网格细化，见图3。

图3 橡胶-钢粘结界面端有限元模型网格划分

2 应力场

由于弹性体的破坏都是发生在橡胶材料部分，故重点分析橡胶-钢粘结界面端附近橡胶材料部分的应力场。按照极坐标的形式提取橡胶界面端附近应力场见图4。

由于受压状态下模型的几何形状与受力状态关于OY轴对称，只需分析界面端1和界面端2附近的应力场。受压状态和受剪状态下橡胶界面端的应力场分别见图5、6。

图4 橡胶材料界面端附近应力场及坐标定义

图5 受压状态下橡胶界面端应力场

图6 受剪状态下橡胶界面端应力场

由图5、6可见，2种受力状态下橡胶界面端处的应力相对最大，并随着r值的增加而减小。图5表明，界面端1与界面端3的最大应力出现在θ=90°，r=0.066 7 mm处，约为2.38 MPa。相比较在θ=90°，r=2 mm处应力最小，约为0.538 MPa。图6表明，4个界面端的最大应力值均出现在r=0 mm，约为1.1 MPa。相比较，在r=2 mm处应力最小，约为0.27 MPa。对比θ=0°、30°、60°、90°这4条路径上橡胶界面端附近的应力分布情况发现，在θ=60°这一路径上，橡胶界面端附近的整体应力水平高于其他3条路径。

3 橡胶-钢粘结界面端应力场参数

前面的分析表明,在橡胶-钢粘结界面端附近存在着明显的应力集中现象，应尽量减小橡胶-钢粘结界面端附近应力场的大小,以避免结构发生破坏。界面端结合角对于线弹性小变形双材料粘结界面端附近应力场有一定影响[12-13]。为此，选择钢界面端角(即α角)为180°、150°、120°、90°时，橡胶界面端附近应力场的变化情况，并选择θ=60°这一路径进行对比。以钢界面端角为180°为基准，分别用4种钢界面端角对应的橡胶界面端应力与钢界面端角为180°时橡胶界面端的应力相减，分析钢界面端角对橡胶界面端附近应力场的影响。

从图7可以看出,橡胶材料在受压状态下界面端1附近应力在钢界面端角为90°时最大，界面端3附近应力在钢界面端角为150°时最大，界面端1和界面端3附近应力在钢界面端角为180°时最小。

图7 受压状态下橡胶界面端应力场随界面端结合角的变化规律

从图8可以看出,橡胶材料在受剪状态下界面端1附近应力在钢界面端角为90°时最大,180°时最小;界面端2附近应力在钢界面端角为120°时最大,180°时最小;界面端3附近应力在钢界面端角为180°时最大,90°时最小；界面端4附近应力在钢界面端角为180°时最大,150°时最小。综合以上分析表明，通过改变界面端结合角能够改变橡胶-钢粘结界面端附近的应力状态，但变动幅值相对很小。

图8 受剪状态下橡胶界面端应力场随界面端结合角的变化规律

4 结论

对深水立管柔性接头橡胶-钢粘结界面端附近的应力场有限元分析结果表明,在橡胶-钢粘结界面附近存在明显的应力集中现象，在柔性接头的使用过程中应注意该区域的损伤情况。不同于线弹性小变形双材料，通过改变界面端结合角来减小橡胶-钢粘结界面端附近的应力收效甚微，应寻求其他方式。

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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

北京市教委科研项目(KM201610017002)

陈景皓(1983—)，男，博士，讲师

研究方向：立管疲劳与断裂