杭州电子科大：揭示摩擦在双金属管道褶皱萌生及演化过程中的作用！

  褶皱是一种大自然中都会存在且令人着迷的失稳现象，常见于薄膜、板壳和软材料中。双金属复合管是一种设计巧妙的结构，内衬层为不锈钢，抵抗腐蚀能力强；外管为碳钢，力学性能优良。双金属复合管具备比较好的承载能力和抵抗腐蚀能力，大范围的使用在腐蚀性介质的输运领域。但是，由于内衬层较薄（类似于壳），服役过程中易发生褶皱。双金属复合管道内衬层的褶皱，属于受约束壳的失稳问题，长期以来，该问题一直极具挑战性。对于管道径厚比、初始间隙、内压和残余接触应力对双金属复合管内衬层褶皱的影响，学者们已做过初步探讨。然而，内衬层与外管之间的界面摩擦，对于内衬层而言，也是一种约束，该约束与双金属复合管褶皱行为的关系，尚不清楚。

  双金属复合管作为一种复合结构，其内衬层大多数都用在防腐，壁厚较薄，耐压性能有限，外管壁厚较厚，具备比较好的耐压性能。当管道受到弯曲载荷作用时，内衬与外管的变形，如图1所示。加载前，内衬和外管的轴向长度是保持一致。加载后，外管在弯曲受压一侧形态完好，轴向长度减少；内衬由于较薄，弯曲过程中受压一侧发生失稳，出现局部褶皱行为。此时，内衬层在受压一侧轴向长度变化量很小，出现了的现象，如图1所示。因此，在弯曲过程中内衬和外管之间有几率存在相对滑动。而内衬与外管之间的摩擦力会抑制这种相对滑动，进而对双金属复合管内衬的褶皱行为进行某些特定的程度的约束。

  管道在弯曲过程中出现两次失稳，对应两种褶皱类型：第一次失稳出现在弯曲早期，内衬呈波纹状形态，褶皱幅值较小，此时的褶皱称为第一型褶皱；第二次失稳出现在弯曲后期，内衬呈蝴蝶状形态，褶皱幅值较大，此时的褶皱称为第二型褶皱，如图2所示。

  图2 双金属复合管的两类型褶皱形态 (a) 第一型褶皱，(b) 第二型褶皱

  如图3B所示，摩擦系数为0时，管道内衬层在弯曲程度较大时从第一型褶皱演化为第二型褶皱；随着摩擦系数的增加，管道的内衬层在弯曲程度较小时便可从第一型褶皱演化为第二型褶皱。摩擦能有效促进内衬层褶皱类型演化的进度。

  如图3所示，摩擦系数为0与摩擦系数为1的两组，其幅值相差约50%。褶皱幅值随着摩擦系数的增大而减小，褶皱幅值达到最大对应的曲率也发生前移。当摩擦系数超过0.5时，摩擦对褶皱幅值的影响逐渐减小。因此，摩擦系数控制在0.5-1之间，可有效抑制内衬层褶皱幅值的增加。

  如图4所示，不同弯曲程度下，摩擦系数均能显著影响管道内衬层褶皱的空间分布。摩擦系数为0-0.2时，第二型褶皱主要分布在管道中间附近，管道两侧有少量波纹状起伏。摩擦系数为0.3-1时，第二型褶皱分布在管道的两侧，且呈对称分布。

  论文唯一署名单位为杭州电子科技大学机械工程学院，第一作者为硕士研究生梁益帆，通讯作者为杭州电子科技大学机械学院特聘副教授陈占锋和特聘副教授王传勇，论文共同作者还有杭州电子科技大机械学院王文教授。论文得到了上海大学朱卫平研究员和天津大学袁林教授的指导，该研究得到了国家自然科学基金和中国博士后科学基金的资助。

  杭州电子科技大学陈占锋老师团队，前期围绕金属管道的安全问题开展了系统的研究工作，提出腐蚀管道的双圆弧模型、管道爆破的失效窗口法、管道破坏的Chen-Chu强度准则、数据驱动的动态参数法等，部分工作为材料强度与失效问题的研究提供了新思路。