玻璃鋼課程設計指導書

1、非金屬設備設計課程設計指導書四川理工學院材料科學與工程教研室2007.9設計概論目的與意義設計（Design） 詞由拉丁文“制造出” （Designare）轉(zhuǎn)變而來，它 指發(fā)展的程序，細節(jié)， 趨向以及達到某種特殊的境界的過程。其涵義十分 廣泛，包括制造或者創(chuàng)造，發(fā)明新事物的思維，擬定或改造計劃，安排活 動等內(nèi)容，即是一創(chuàng)新的過程。本課程設計的內(nèi)容， 忠實地體現(xiàn)出設計的本質(zhì)含義。 我們知道對于玻 璃鋼（ FRP） /復合材料，與其說是材料，倒不如說是結構更為確切。要把 玻璃鋼材料設計成需要的產(chǎn)品，必需經(jīng)由從零次結構，一次結構，二次結 構，三次結構（產(chǎn)品）的這一過程。這種多層次性為復合材料及其結構

2、設 計帶來了巨大的靈活性。 復合材料和常規(guī)材料的顯著區(qū)別在于它是一種非 均質(zhì)的，各向異性的， 性能可設計的材料，因而它賦予設計者的自由度要 大得多。為了獲得優(yōu)化的材料和結構， 應該使復合材料的特點得到充分的 發(fā)揮。其次，在整個設計過程中，涉及到的知識面比較廣泛，如所學的工程 力學，材料學，制造工藝學，復合材料學，腐蝕理論，制圖等課程，以及 其它有關的肉容； 同時涉及各方面的計劃與選擇。 如何在設計中體現(xiàn) FRP 的優(yōu)點？怎樣滿足設計的要求？如何使產(chǎn)口結構與制造工藝最優(yōu)化？原 材料耗費最低？設計成本最低等？以及施工簡便， 周期短，經(jīng)濟效益顯著 等一系列問題， 都將在設計的每一個細節(jié)中體現(xiàn)出來。

3、所以設計不僅是一 種期望，設想的過程， 而是要將出色的設想變?yōu)楝F(xiàn)實的過程，并擬定出具 體的技術方案，變成一種圖紙上的模型并用于實施、制造。本課程設計僅從一些簡單的設計題目入手，通過一定的煅煉和實踐， 目的是綜合所學知識來解決問題，并從中感受方法的重要性和必要性。2課程設計的基本內(nèi)容21 課程設計的基本內(nèi)容 設計的任務，是確定產(chǎn)品的結構，技術經(jīng)濟指標和主要零部件，并編 制必要的技術文件。在本課程設計中，要求獨立完成設計的全過程，繪出 圖紙（ 1 號圖紙，總裝配圖） ，并寫好設計說明書。（ 1）設計說明書的主要內(nèi)容：封面目錄技術特性（即設計參數(shù)） 設計過程：材料選擇、選型、強度及材料性能估計、強度

4、、剛度、 穩(wěn)定性設計、壁厚計算、結構設計、加強圈設計、校核、開孔、補強、附 件設計等。制造工藝設計： 模具、施工工藝、 固化制度、后加工、熱處理、焊接、粘結等。材料及其它費用的估算參考資料（2）制圖 工作圖包括產(chǎn)品的總裝配圖和部件裝配圖，零件圖及明細表。本次 課程設計只要求畫總裝配圖，其中要把構成產(chǎn)品的全部各種零件，部件， 標準件，配套件等表示出來。 工作圖是要據(jù)設計任務書和設計說明書來設 計的，這是產(chǎn)品制造過程的依據(jù)，必須按照繪圖規(guī)范制圖。圖中必須注意 點、線、面、標注等；選擇合適的比例、尺寸、公差配合以及各種局部視 圖；考慮加工工藝的要求并注明技術條件等。 要按照制圖的先后順序繪制， 保持

5、圖面清潔。22 材料及其主要費用的估算 成本的估算是衡量一個設計是否成功的重要標志之一。要分清材料 費用及成本、 出售價三者之間的差別和包含的內(nèi)容 （詳細內(nèi)容可參考有關 的書籍）。在本次課程設計中，可以簡單估算。23 課程設計題目（1）FRP 氣體混合罐的設計（立式）技術特性：工作壓力：01.5 kg /cm FRP 臥式貯槽設計工作溫度：常溫工作介質(zhì)： HCl 等氣體容 積：5m技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：常溫 （立式）接 管：一次氣入口，二次氣入口，循環(huán)尾氣入口，混合氣入口，混 合氣出口，放空管，排污管。計算參數(shù)： SM： 45g/m2，Am=90%CSM： 450g/m2，Am=7

6、0%WR :中堿 400 型，Am=50%Ef=7 x 10容 積： 10m3Kg/cm2, Em=0.35X 105Kg/cm2 =0.1%=1Vf=0.22Vm=0.35 =0.1%=1f=1.5x 10工作介質(zhì)： HCl 液體（ 35%, r=1.162）Kg/cm2m=500Kg/cm接 管：人孔、進料口、排氣口、液位計、液封、出料口、排污 口、壓力計。計算參數(shù)：同（ 1）（3）FRP 立式貯槽設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：常溫工作介質(zhì)： HCl 液體（ 35%, r=1.162）容積： 30m3接 管：人孔、進料口、排氣口、液位計、出料口、排污口、壓 力計、液封。計算參數(shù)：同

7、（ 1）（4）FRP 硫酸計量罐（臥式）設計技術特性：工作壓力：00.8Kg/cm2工作溫度：50 C工作介質(zhì)： 60H2SO4（r=1.161）容 積： 2.5m3接 管：液面計、壓力計、排氣口、進料口、出料口、進氣口、 抽氣口。計算參數(shù)：同（ 1）（5）FRP 硫酸計量罐（立式）設計技術特性：工作壓力： 0 0.8Kg/cm2工作溫度：50 C工作介質(zhì)： 60H2SO4（r=1.161）容 積： 20m3接 管：液面計、壓力計、 排氣口、進料口、出料口、進氣口、 抽氣口。計算參數(shù)：同（ 1）（6）FRP 磷酸臥式貯罐設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：常溫、工作介質(zhì)：磷酸（ 40%）容積

8、： 20m3接 管：入孔、液位計、進料口、出料口 計算參數(shù)：同（ 1）（7）FRP 立式貯罐設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：常溫、工作介質(zhì)：磷酸（ 40%）容積： 30m3接 管：入孔、液位計、進料口、出料口 計算參數(shù)：同（ 1）（8）FRP 磷酸高位計量槽設計 技術特性：工作壓力：常壓 工作溫度：常溫、 工作介質(zhì)：磷酸（ 40%） 容積： 5m3接 管：人孔、液位計、進料口、出料口 計算參數(shù)：同（ 1）（9）FRP 鹽酸高位計量槽設計 技術特性：工作壓力：常壓 工作溫度：常溫 工作介質(zhì)： HCl 液體（ 32%） 容積： 5m3接 管：進料口、排氣口、液位計、出料口、壓力計，水封。 計

9、算參數(shù)：同（ 1）（10）FRP氯化氫尾氣洗滌塔設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：常溫工作介質(zhì)：HCI液體（03%）工藝尺寸：© 600 X 12000接管及附件：進氣口、排氣口、液位計、進液口、排液口、排污 口、壓力計，篩板 6 個。計算參數(shù)：同（ 1）（11）FRP氯化銨干燥尾氣洗滌塔設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：50 C 工作介質(zhì)：氯化銨液體（ 15%）、空氣 工藝尺寸： © 2000X 10000接管及附件：進氣口、排氣口、液位計、進液口、排液口、排污 口、壓力計，篩板 6 個。計算參數(shù)：同（ 1）（12）FRP水氣分離器設計技術特性：工作壓力：常壓工作

10、溫度：50 C工作介質(zhì)：鹽酸液體（ 15%）工藝尺寸： © 2000X 6000接管及附件：進氣口、排氣口、液位計、進液口、排液口、排污 口、壓力計，捕液器 4 個。計算參數(shù)：同( 1)(13) FRP鹽酸轉(zhuǎn)運槽車設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：40 C工作介質(zhì)： HCl ( 5%, r=1.162)容 積： 5m3接 管：人孔、進料口、出料口、液位計 計算參數(shù)：同( 1)(14) FRP硫酸轉(zhuǎn)運槽車設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：40 C工作介質(zhì)： H2SO4( 20%)容 積： 3.5m3接 管：人孔、進料口、出料口、液位計 計算參數(shù)：同( 1)(15) FRP磷酸轉(zhuǎn)

11、運槽車設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：40 C 工作介質(zhì)：磷酸( 30%)容 積： 3.0m3接 管：人孔、進料口、出料口、液位計 計算參數(shù)：同( 1)(16) FRP HF尾氣洗滌塔設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度：常溫工作介質(zhì)：HF液體(15%)工藝尺寸： 帕00X12000 接管及附件：進氣口、排氣口、液位計、進液口、排液口、 排污口、壓力計，篩板 6個。計算參數(shù)：同( 1)( 17) R-PVC 臥式貯槽設計技術特性：工作壓力：常壓工作溫度： 50.C 工作介質(zhì)： HCL(35%, r=1.162) 容 積： 20m3接 管：液面計、壓力計、排氣口、進料口、出料口、人孔計算參

12、數(shù)：（20）= 500Kg/cm2（自?。?玻璃鋼課程設計的相關知識3.1玻璃鋼力學基礎復合材料的強度受許多因素的影響，這些因素包括各組分的機械不相 容性、基體和增強材料的彈性塑性變形行為差異以及它們之間結合鍵的強 度、組分材料的體積分數(shù)和外加載荷的方向等。由于這些因素的影響，復 合材料的變形行為很復雜，許多問題尚未認識清楚。最簡單的情況是纖維 沿同一方向排布的復合材料層板（單向板），對于纖維排布方向不同的復合 層合板的力學性能，可以根據(jù)單向板的性能用層板理論求得。因此，單向 板的性能是研究復合層板性能的基礎。3.1.1連續(xù)纖維增強單向板的強化原理及性能在軸向載荷作用下，假設纖維增強單向板其纖

13、維的強度是均勻的，那么纖維和基體所承受的載荷以及復合材料的強度在很大程度上取決于纖 維的長度。對于連續(xù)長纖維增強的復合材料， 在受到沿纖維方向的拉應力 作用時，假定纖維與基體粘結牢固，界面完整，它們之間沒有相對滑動， 纖維和基體不發(fā)生塑性變形，并且忽略了纖維和基體泊松比不同引起的附 加應力，那么整個材料的縱向應變可以近似認為是均勻分布的，即復合材料、纖維和基體具有相同的應變1式中，£ L、£ f和£ m分別表示復合材料、纖維和基體的應變。 由于外加載荷由纖維和基體共同承擔，則應有2式中，C L、C f、C m表復合材料、纖維和基體的應力； Al、Af和Am分 別代

14、表復合材料、纖維和基體的橫截面積。由上式得復合材料的縱向彈性1模量El和泊松比卩l(xiāng)t與纖維和基體的彈性模量Ef、Em。及泊松比卩f、m的關系為U”= 乙 + £L(1 式中，Vf為復合材料中纖維的體積分數(shù)，上述方程稱為混合定律，盡管該 方程忽略了纖維和基體不同泊松收縮所引起的附加應力影響的條件下導 出，然而試驗表明，這種忽略所引起的誤差很小。如果纖維繼續(xù)彈性形變，而基體發(fā)生了塑性變形，則下式給出耳丸+（-薯）占一乙）5式中，（de/d）譏表示基體應力一應變曲線在給定應變&處的斜率。對于樹 脂基體和應變速率很低的基體材料，式中的第二項可以忽略不計，這樣 El可近似地由下式計算在

15、彈性變形階段，由式1和3得ol=ei門 7玻璃纖維、碳纖維和 Kevlar49纖維在斷裂前可近似地看作是線彈性的， 但是樹脂基體應力應變行為通常表現(xiàn)為非線彈性，斷裂前可能發(fā)生很大的 粘彈性變形，因此在平行于纖維方向的拉伸應力作用下，由式2以及Vf+Vm =1， Vf= Af/A， Vm= Am/A 得卩=叭乙+必（1 一乙）復合材料單向板在拉伸載荷作用下的行為與纖維和基體的相對斷裂應變 有關。假設樹脂作為基體材料制成單向板后，拉伸斷裂應變不發(fā)生變化， 則需要考慮兩種情況，$ > am和am> i， am和t分別為纖維和基體的拉伸 斷裂應變。當a> a時，應力一應變曲線見圖4-

16、30（a）。隨Vf的變化，可能出現(xiàn) 兩種失效機制。當 Vf較小時，單向板的縱向拉伸強度e *l主要取決于基 體強度em。在外載荷作用下，基體首先斷裂，然后全部載荷由少數(shù)纖維 承擔，見圖4-30（b），從而引起纖維斷裂，由此得qA卩（乙）e f為相應于基體斷裂應變 a。時纖維承受的應力。當 Vf很大時，Ef> Em?；w只承擔整個外載荷的一小部分。當基體斷裂時，傳遞給纖維的載 荷不足以引起斷裂，假如基體能夠繼續(xù)發(fā)揮傳遞載荷的作用，單向板承擔 的載荷能夠繼續(xù)增加，直至纖維斷裂。在這種情況下，單向板的強度主要 取決于纖維的強度和纖維體積分數(shù)，即10圖4-30軒維增強牟向扳的應力 應變芒為和魁度

17、(4) Sf纏和曇體眄匹力應變行為C】茹維歲強單氏板的Slfi®神強度巧Ej斷裂強度隨Vf的變化，見圖429(b)。圖中兩條直線分別代表了方程9和方程式10，兩條直線交點對應的纖維體積分數(shù) Vf 可由式9和式10解得11可以看出，當纖維含量超過Vf時，纖維有增強效果，纖維含量小于Vf時, 纖維基本上失去增強效果。在玻璃纖維/聚酯樹脂單向板中，£ m=0.02, &匸0.25( £ f >£ m)。試 驗測得 C m = 72MPa,(T匸2100MPa,cf* = 1520MPa,代入方程式 11 得Vf= 0.11。實際使用的大多數(shù)單向板

18、的 Vf為0.40.7。當£ m >£ f時，隨著Vf的變化，也將會發(fā)生兩種失效機制，如圖4-31 所示。在Vf小的單向板中，當纖維斷裂時，原來由纖維承擔的這部分載 荷將由基體承擔，由于 Vf較低，這部分額外載荷較小，所以它施加結基 體時并不足以引起基體斷裂。然而斷裂纖維的末端形成了一些微孔，這些 孔的存在使基體的橫截面積減小，導致了基體承載能力成比例地降低，這 時單向板的縱向拉伸強度主要由基體決定，由此得毗=6(匚)12隨著Vf的增大，由于纖維的斷裂而額外施加在基體上的載荷增大，因而終將引起基體的斷裂，在這種情況下，單向板的縱向拉仲強度為13基體p'I1 -

19、1.0%M嚴7 j K/)圖 4-31oI=2P/r 聲證必（ 乙）口匚=&曲/（I一V /）纖維增強單向糧的應力應變行為和強戾（a ）殲維和基推的遵力-應變行為（b ）殲維增強單向扳的埶向拉伸爲度（5 A 幻）（JA 引）壓縮強度單向板受到壓縮時破環(huán)規(guī)律與拉伸有很大的不同。 纖維增強樹脂單向 板的壓縮失效對纖維的體積分數(shù)和樹脂性能特別敏感。復合材料縱向受壓破壞與纖維的彎折有關，嵌埋在基體中的纖維其彎 折受周圍基體的限制，因此縱向抗壓強度取決于基體的彈性變形行為和纖 維的含量。對于纖維增強的單向板，常見的壓縮破壞方式有兩種，當纖維 體積分數(shù)較小時，以反相彎折方式失效?？箟簭姸扔上率接嬎?/p>

20、14對于商品復合材料，Vf較大，壓縮時以同相彎折方式失效，c-由下式給出：15式（14）和式（15）定性地描述了影響 cl-的因素，當用此定量計算單向板壓縮強度時，則與試驗結果有較大偏差，理論計算值高于試驗值。這可 能是因為纖維在基體中分布不均勻，某些局部區(qū)域纖維含量偏低使彎折抗 力下降，壓縮破壞容易在這些部位出現(xiàn)。另外，制造過程中產(chǎn)生的氣孔， 纖維取向度差，纖維與基體脫粘以及基體粘彈性變形引起的剪切模量下 降，導致變形，引起剪切模量下降等因素都能導致茁的降低。 圖4-32單向右堿向壓縮失效方式示意圖60反相彎捋同相彎祈在壓縮破壞單向板的斷口上，可以觀察到縱向的開裂和纖維的傾斜， 傾斜的程度取

21、決于纖維和基體界面結合鍵的強度。如果纖維與基體結合牢 固，則基體通過剪切發(fā)生斷裂。彎曲在纖維中產(chǎn)生了拉應力和壓應力，對 脆性的玻璃纖維和碳纖維，在拉伸一側(cè)首先發(fā)生脆性斷裂，然后在壓縮區(qū) 發(fā)生剪切破壞，對于 Kevlar49纖維增強的樹脂，由于纖維在斷裂前發(fā)生 了屈服因而導致纖維的扭折但很少看到纖維的斷裂。除了彎折破環(huán)外，在壓縮載荷作用下，復合材料也可能發(fā)生剪切破壞。 縱向壓縮載荷在與應力軸成45°的平面上產(chǎn)生的最大切用力T *max為式中dL-*為壓縮應力。如果復合材料的剪切強度低于其彎折強度，則將發(fā) 生剪切破壞d-為<JL = 2Cr(1KJ式中T和Tm分別為纖維和基體的剪切

22、強度3.1.2復合材料結構連接復臺材料雖然具有直接制成整體結構的特點，但是在實際結構中常常需要各種形式的連接。在連接區(qū)往往伴隨著應力集中。纖維增強復合材料 在增強方向的強度和剛度較大，而層間剪切強度和垂直于纖維增強方向的 拉伸強度很弱，因而連接部位的局部破壞概率增大。連接設計在復合材料 紹構設計中是很重要的。接頭設計既要考慮連接的方式，同時也要考慮被連接材料的特性。按 照連接方式，可分為單面搭接、雙面搭接、斜面搭接以及階梯形搭接。接 頭型式很重要，因為有機膠粘劑的最佳定用效果，直接與接頭型式有關。 雙搭接受剪接頭型式，而單面搭接受剪接頭是常用的接頭型式。在單搭接接頭中，由兩個等厚度的單接觸面被

23、粘物代替對應的雙搭接接頭中兩個同 樣構件與雙倍厚度的中間構件。這兩種接頭型式更多地用于試驗與測試 中，而在實際工程結構中顯示不出其重要作用。然而，這些接頭型式確實 模擬了結構的特性，不計入載貨偏心影響的單面搭接接頭的內(nèi)力計算。兩搭接板厚度分別為T1、T2,，沿x方向的彈性模量分別為El、E2;膠層厚度為h（般以0.1-0.15mm為好），膠層剪切模量為G;搭接長度為 l;搭接板單位寬度受拉力為P。圖4-33單搭接頭內(nèi)應力假設：（1）忽略載貨偏心引起的彎矩影響；（2）膠層僅受剪切作用；（3）膠層 內(nèi)剪應力與兩搭接板的相對位移成正比。兩搭接板不同E油一K16+ch AxEASixs2L _ 捏“E

24、JT ' a-Az：h4-丄1Etti 民血/shE缶-EMich鈕 倉 "*"民耐亠£血訪-LNi 搭接板1的內(nèi)力；N2 搭接板2的內(nèi)力；t膠層剪應力 兩搭接板相同p*飛sh Ax 一衛(wèi)廠P/Vi - _苛sb lr Y3L JPX eh 狂2GEtkF_尾大應力眾.出在工三A /2 At,牛讓¥層合板接頭設計一般原則：層合板結構選用閉合板接頭連接主要考慮接頭與結構件之間鋪層連 續(xù)，結構與連接件一體成形，既可減少連接的過膠環(huán)節(jié)，又可實現(xiàn)接頭集 中載荷順利擴散的目的，結構連接可靠，連接強度/重量比高，明顯減重。層合板接頭設計，除遵循層合件設計的一

25、般原則外，補充以下幾點原 則要求： 接頭連接部位不允許發(fā)生屈曲； 采用限制許用應變/許用應力設計，目前，層合板設計許用應變控 制在0.30.4%范圍內(nèi)；孔邊擠壓應力控制在300350MPa；接頭耳片剪 應力小于等于250MPa； 重要接頭考慮附加安全系數(shù)1.15或較大的安全裕度； 裝配需要，接頭耳片表面應有可供裝配磨削的容差層（一般12層 玻璃布，供裝配磨削加工）。3單搭接th) 口梯i : 斜陽榕接4-34搭接形 _式示意圖心樑面搭集(門畔接捋接栓搭按(6)對崔収拾播檢播援I -1 I亠P?1 幾山 -3 £EJ EMe-ME-fr-fiE Jj3.1.3加筋板設計加筋板設計的一般

26、原則復合材料加筋板設計要求與金屬加筋板設計要求基本相同，加筋板設計的一般原則：(1) 在設計載荷下，應變水平不得超過設計許用應變。(2) 穩(wěn)定性要求：雖然結構試驗已證實，復合材料加筋板有屈曲 (失穩(wěn)) 或后屈曲承載能力，但其對疲勞的影響尚不清楚，所以，加筋扳是否允許出現(xiàn)屈曲，是一個復雜問題。因此，不同部件、不同部位，采用不同的屈 曲要求，通常要滿足在使用裁荷下不得屈曲、 在設計載荷下允許后屈曲但 不能發(fā)生破壞的要求。而允許在使用載荷下屈曲，只限于薄板(厚度1mm左右)。(3) 加筋條與層合板之間的剛度、泊松比相匹配，以使固化內(nèi)應力和 翹曲變形減至最小，利于整體共固化成形。(4) 加筋條與層合板

27、結合處、加筋條端部等細節(jié)設計應避免應力集中， 以防止發(fā)生脫膠、分層等破壞。根據(jù)加筋板設計原則，知加筋板設計要點： 合理分配層合板和加筋條承載比例； 選擇合適的加筋條剖面形狀，且剖面的彎曲剛度足夠，滿足剛度要 求。 層合板與加筋條剛度要匹配(包括泊松比匹配)； 調(diào)節(jié)加筋條間距，滿足加筋板總體穩(wěn)定性要求； 工藝可行。加筋條剖面形狀選擇(d>佃<F>a、T型；b、對稱球頭型；c、J型；d、工字型；e、帽型；f、泡型圖4-35加筋條剖面幾何形狀ooaa、推薦使用對稱筋條；b、慎重使用；c、不能使用圖4-36加筋條剖面形狀選擇加筋條凸緣厚度與結合處層合板厚度0 +式中：tst加筋條凸緣

28、厚度；tp加筋條與層合板結合處層合板厚度加筋條端頭設計加筋條端頭處，由于剛度突變，易發(fā)生與蒙皮股膠或分層，并且沿加 筋條長度方向擴展，引起破壞。解決的措施：加筋條端頭處增加止裂緊固 件，加筋條的緣條端頭過渡區(qū)加長等。圖4-37工字型加筋條內(nèi)腔填充優(yōu)先難用圖4-38角型加筋條與層合板結合的細節(jié)示意加筋板抗沖擊設計考慮加筋板抗沖擊設計目前主要采用外表層增加一層織物或增加459層的辦法。3.1.4層合件開口設計由于設計上的要求，如工藝施工、檢查維修、設備安裝、管道通過等， 層合件上開口（開孔）通常是不可避免的、與金屬材料不同，復合材料開口 （開孔）不僅要切斷纖維引起層合件剛度和強度下降，而且孔邊應力

29、集中和 邊緣效應會引發(fā)孔邊局部提前破壞。 因此，層合件開口部位一般要進行補 強設汁；開口按幾何尺寸，大致可分成小開口、開口、大開口三種開口類型。 三者受力特點不同，補強要求亦不相同。 小開口 開口孔直徑2030mm,如管線通過孔、窺視鏡檢查孔等。孔 徑/板寬比為0.2左右，一般情況下，小開口不要求補強。 開口 開口孔直徑60120mm,孔徑/板寬比為0.5左右。開口區(qū)應力， 一般通過含孔板應力分析確定，采用開口補強措施大多可恢復到 60% 70%的原有強度。 大開口 開口孔直徑150mm以上，開口區(qū)應力需要通過大開口參與受力分析確定。開口參與受力區(qū)長度應足以滿足載荷傳遞要求。大開口應進行專門的

30、開口參與區(qū)補強設計。開口補強措施多種多樣，有補片補強、下陷口框補強，孔邊包邊、孑L 邊軟化等，應視具體結構要求而定。3.2玻璃鋼設備工藝設計手糊成型是聚合物基復合材料生產(chǎn)中最早使用和最簡單的一種工藝 方法。用于成型波形瓦、浴盆、冷卻塔、活動房、衛(wèi)生間、貯槽、貯罐、 風機葉片、各類漁船和游艇、微型汽車和客車完體、大型雷達天線罩及天 文臺屋頂罩、設備防護罩、雕像、午臺道具和飛機蒙皮機翼、火箭外殼、 防熱底板等大中型零件。現(xiàn)在世界各國的聚合物基復合材料成型工藝中手 糊工藝仍占相當重的比例。手糊工藝的最大特色是以手工操作為主，適于多品種、小批量生產(chǎn)， 且不受制品尺寸和形狀的限制。手糊成型操作技術簡單，

31、工人經(jīng)短期培訓 即可掌握。但這種成型方法生產(chǎn)效率低，勞動條件差且勞動強度大；制品 質(zhì)量不易控制，性能穩(wěn)定性差、制品強度較其他方法低。手糊工藝生產(chǎn)需 要根據(jù)產(chǎn)品的要求合適選用原材料， 進行正確的結構設計和工藝設計，同 時還要注意對各工序的質(zhì)量檢測、監(jiān)控，才能保證制品的質(zhì)量。手糊成型的工藝過程是：先在模具上涂一層脫模劑，然后將加有固化 劑的樹脂混合料刷涂在模具上，再在膠層上鋪放按制品尺寸裁剪的增強材 料，用刮刀、毛刷或壓輥迫使樹脂膠液均勻地浸入織物，并排除氣泡。待 增強材料被樹脂膠液完全浸透之后，再鋪下一層。反復上述過程直到所需 層數(shù)，然后進行固化。待制品固化后脫模，并打磨毛刺飛邊，補涂表面缺 膠

32、部位，對制品外形進行最后檢驗。手糊成型的工藝流程如圖3-1所示。I博遏財料浸殲j一融頤珈*j橈芯準備表兩洗飪涂寰朕模 訓1干燥至不粘手灤刷膠科邊1縮繞玻璃右、初步固化處理日毛剛威輕七反戻魏繞數(shù)屋 壓實朋F涂氣咆裝所需阜箜i涂劇面澳豈化- & = 一 1:戰(zhàn)品= r“圖3-1手糊成型FRP施工過程圖3.2.1生產(chǎn)準備一、場地手糊法成型玻璃鋼雖對生產(chǎn)條件要求較簡單，但也需有合適的工作場 地。首先，工作場地要求較清潔、干燥、通風良好，溫度盡可能保持在 15C以上，以免因溫度太低影響操作及制作質(zhì)量。 樹脂及配料應貯存在陰 涼通風處，防止陽光照曬引起樹脂及輔助材料變質(zhì)。其次，貯存和裁剪織 物或氈

33、的場地要保持干燥，以免潮濕影響制品的固化。固化后修整或切割 加工的場所要設置抽風除塵或噴水裝置，防止粉塵飛揚影響操作者的健 康。手糊成型工作場地的大小，要根據(jù)產(chǎn)品大小和日產(chǎn)量決定，場地要求 清潔、干燥、通風良好，空氣溫度應保持在1535 C之間，后加工整修段，要設有抽風除塵和噴水裝置。二、模具模具準備工作包括清理、組裝及涂脫模劑等。模具是手糊成型的必要 工藝裝備，它對于保證制品質(zhì)量和降低成本關系極大。 可用于制造手糊用 玻璃鋼模具的材料種類很多，常用的有木材、石膏、水泥、玻璃鋼、石蠟 和金屬等，可根據(jù)產(chǎn)品批量和尺寸形狀合理選材。 表1為不同材料的模具 比較。模具要有足夠的強度和剛度，在搬運和使

34、用過程中不易變形，以保 證制品的型面精度。對加壓固化制品的模具更需有足夠高的強度和剛度。 對加熱固化制品的模具要保證在固化溫度下不發(fā)生變形式翹曲。手糊成型制品模具結構形式有單模（陽模、陰模）和對模兩類，見圖3-2 所示。制品表面的質(zhì)量靠模具工作表面的光潔度保證。因此，要根據(jù)制品 表面質(zhì)量要求來選擇模具結構。對外表面要求光滑的制品可選用陰模成 型,但凹陷較深的制品用陰模成型操作不便； 內(nèi)表面要求光滑的制品可選 用陽模成型，陽模凸起操作較為方便，制品質(zhì)量易控制，且操作時通風方 便，因此手糊成型多使用陽模。對模由陽模和陰模兩部分組成，通過定位 銷來限定上下模具的相對位置，周邊帶有溢料飛邊的陷槽。如果

35、制品的外 型、厚度和表面都要求較嚴，可選用對模；但對模在成型中要開啟閉合和 搬移，操作強度大。表1不同材料模具比較模具材料制造周期制造工藝模具重量使用 次數(shù)模具成本適用范圍木材短簡單輕中中小量、結構復雜的中小型件石膏短簡單重15低結構簡單的大型產(chǎn)品、 一次 使用的復雜產(chǎn)品。石蠟短簡單輕1低復雜的小量產(chǎn)品、溶化脫 模，表面不易涂漆水泥中簡單重中低表面粗糙、用于間單產(chǎn)品玻璃鋼中一般中較多較咼數(shù)量多、表面要求咼的結構 復雜的中小型產(chǎn)品。泡沫塑料短簡單輕1較咼不脫模的內(nèi)心金屬長復雜重> 100高表面光潔、質(zhì)量要求咼的小 型大批產(chǎn)品可溶性鹽或 低熔點金屬短較易中1較低少量脫模困難的小型產(chǎn)品面樓陌核

36、陰艇對樓圖3-2模具結構示意圖用木材制造模具應選用變形比較小，無節(jié)疤，經(jīng)過干燥的優(yōu)質(zhì)木材， 如紅松。木模要經(jīng)過刮膩子，刷底漆，再經(jīng)兩次噴漆，噴漆干燥后用400# 水砂紙磨平表面。噴漆后可防止樹脂向模具內(nèi)部滲透， 同時也防止木材內(nèi) 部的水份揮發(fā)而影響制品固化和表面質(zhì)量。木模的工作面最后用去污蠟擦 光,再用汽車上光蠟拋光。經(jīng)過這樣處理的木?？杀ＷC制件獲得平整光亮 的表面質(zhì)量。用石膏制造模具可摻入部分水泥提高強度，外層用亂麻絲加 強，必要時，還可以用木條、鋼材等作為石膏模具的加強筋。模具成型后 需經(jīng)低溫干燥除去游離水分，再用膩子填充工作面的孔隙，噴漆干燥后再 用去污蠟拋光到有光澤方能使用。用石蠟制作

37、模具需在預制的模上翻制。 石蠟?？捎糜诔尚托螤顝碗s和脫模困難的小型制品和難以從制品脫出的 芯模。它屬于一次性使用的模具。石蠟的成本低，可回收反復利用。但由 于石蠟熔點低、易變形，故制品精度不高。玻璃鋼是制作手糊模具的一種 較好材料。玻璃鋼模具表面要做膠衣層，膠衣層厚度控制在0.51.0mm（膠 液用量控制在5001000g/川左右）。模具表面需用400#, 600*和800*水 砂紙打磨拋光以獲得有光澤的工作面。三、脫模劑為防止固化后的制品粘著模具和便于脫模，應預先在模具工作面上涂敷一層脫模劑。凡是與樹脂粘接力小的非極性或極性微弱的物質(zhì)，都可以作為脫模劑。脫模劑應符合下列要求：使用方便，成膜時

38、間短；不腐蝕模 具，不與樹脂發(fā)生反應和不影響制品著色；成膜均勻、光滑，對樹脂的粘 附力??；毒性小，易清除，易配制；價格便宜，來源廣泛。選擇脫模劑時 還應考慮到模具材料、 模具表面質(zhì)量和所使用樹脂的品種。 粘附力較強的 一類樹脂（如環(huán)氧樹脂 ）可以混合使用幾種脫模劑。脫模劑的種類很多，大致可以分為三類：1. 薄膜類：如玻璃紙、聚酯薄膜、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙 烯薄膜 （只適用于環(huán)氧樹脂成型 ）。使用時用油膏將薄膜粘貼在模具表面， 粘貼時應鋪平，防止薄膜起皺和懸空。由于薄膜變形小，只適用于模具型 面不復雜的情況。2. 油膏類，如石蠟、地板蠟、黃干油、凡士林、汽車蠟、硅脂等。這 類脫模劑使用

39、方便，脫模效果好，但易玷污制品表面，并給制品表面涂漆 造成困難，一般只適用于室溫固化（v 80C ）的情況。3. 溶液類：如聚乙烯醇水溶液、 甲基硅油或硅橡膠甲苯溶液 （只適用于 環(huán)氧樹脂成型 ）。聚乙烯醇水溶液是目前手糊玻璃鋼中廣泛使用的一種脫 模劑，可以自行配制，其配方是：聚乙烯醇58份水6035份乙醇3560份聚乙烯醇水溶液的配制方法是：將聚乙烯醇緩饅地加入到25C的水中，同時攪拌。浸泡 23 小時，使聚乙烯醇完全溶脹，然后逐漸加熱。 加熱時見有泡沫產(chǎn)生即應停止加熱， 待泡沫自行消失后再繼續(xù)加熱， 反復 三次基本上可清除泡沫。待溫度升到 96100C左右，保溫一小時。經(jīng)過 濾后，邊攪拌邊

40、添加乙醇即可。聚乙烯解脫模劑涂在模具工作面后，必須 待其完全干燥才能開始手糊，以免殘存的水份對樹脂的固化產(chǎn)生不良影 響。它的使用溫度是100150C。樹脂膠液配制 配制時，要注意兩個問題：防止膠液中混入氣泡； 配膠量不能過多，每次配量要保證在樹脂凝膠前用完。糊制按下列程序進行：1. 在模具表面涂敷脫模劑；2. 涂膠衣層 使用聚酯樹脂手糊成型時，制品的表面一般均有膠衣 層。膠衣層的作用是補償膠液固化時的收縮， 防止顯露纖維或布紋以獲得 表面光滑的制品。 膠衣層可以使用專用膠衣樹脂。 也可用表面氈增強膠衣 層。膠衣的質(zhì)量對制品的耐氣候性，耐水性和耐化學性影響較大。膠衣層厚度一段控制在0.250.4

41、mm（即用膠300500g加左右）。當膠衣層開始 凝膠時應立即進行復合材料的糊制。3. 增強材料準備 增強材料的種類和規(guī)格按設計要求選擇。4. 糊制與固化手工鋪層糊制分濕法和干法兩種： 干法鋪層 用預浸布為原料， 先 將預學好料（布）按樣板裁剪成原料，鋪層時加熱軟化，然后再一層一層 地緊貼在模具上，并注意排除層間氣泡，使密實。此法多用于熱壓罐和袋 壓成型。濕法鋪層 直接在模具上將增強材料浸膠，一層一層地緊貼在 模具上，排除氣泡使之密實。一般手糊工藝多用此法鋪層。濕法鋪層又分 為膠衣層糊制和結構層糊制。手糊工具對保證產(chǎn)品質(zhì)量影響很大。有羊毛輥、豬鬃輥、螺旋輥及電 鋸、電鉆、打磨拋光機等。固化 制

42、品固化分硬化和熟化兩個階段：從凝膠到硬化一般要 24h, 此時固化度達50%70% （巴柯爾硬度為15），可以脫模，脫后在自然環(huán) 境條件下固化12周才能使制品具有力學強度，稱熟化，其固化度達85% 以上。加熱可促進熟化過程，對聚酯玻璃鋼，80°C加熱3h，對環(huán)氧玻璃鋼，后固化溫度可控制在150C以內(nèi)。加熱固化方法很多，中小型制品可 在固化爐內(nèi)加熱固化，大型制品可采用模內(nèi)加熱或紅外線加熱。5脫模和修整脫模要保證制品不受損傷。脫模方法有如下幾種：頂出脫模，在模 具上預埋頂出裝置，脫模時轉(zhuǎn)動螺桿，將制品頂出。壓力脫模，模具上 留有壓縮空氣或水入口，脫模時將壓縮空氣或水（0.2MPa）壓入模

43、具和制 品之間，同時用木錘和橡膠錘敲打，使制品和模具分離。大型制品（如 船）脫模，可借助千斤頂、吊車和硬木楔等工具。復雜制品可采用手工 脫模方法，即先在模具上糊制二、三層玻璃鋼，待其固化后從模具上剝離， 然后再放在模具上繼續(xù)糊制到設計厚度，固化后很容易從模具上脫下來。修整：修整分兩種，一種是尺寸修整，另一種缺陷修補。尺寸修整 成型后的制品，按設計尺寸切去超出多余部分；缺陷修補包括穿孔修補，氣泡、裂縫修補，破孔補強等。圖3-3玻璃鋼纏繞成形示意圖圖3-4玻璃鋼纏繞成形示意圖圖3-5玻璃鋼層疊增強板成形示意圖1、連續(xù)纖維束；2、表面處理；3、樹脂；4、隔離紙 圖3-6玻璃鋼預浸帶生產(chǎn)流程圖1、隔離

44、膜滾筒；2、糊狀樹脂；3、聯(lián)系纖維；4、切碎機；5壓實帶 圖3-7短纖維增強玻璃鋼成形示意圖典型手糊成形的玻璃鋼制品的厚度一般為210m m,有些特殊制品（如大的船體）的厚度可大于10mm.。糊制過程為：先在模具上涂刷一層脫模劑，再刷一層膠衣層，待膠衣層凝 膠后（即發(fā)軟而不粘手），立即在其上刷一層樹脂，然后鋪一層玻璃布， 并用手動壓輥沿著布的徑向，順一個方向從中間向兩邊用力滾動，以排除其中的氣泡，使玻璃布貼合緊密，含膠量均勻。如此往復，直到達到設計 的厚度。每次糊制厚度應小于 7mm,否則，厚度太厚，固化發(fā)熱量大， 使制品內(nèi)應力大而引起變形和分層。 糊制工作雖然簡單，但要求操作者做 到快速、準

45、確、含膠量均勻、無氣泡及表面平整等。糊制的環(huán)境溫度應保 持在15C以上，最好在2030C范圍內(nèi)，糊制完成后一般在常溫下固化 24h后才能脫模，脫模后制品的強度在一定時間內(nèi)會隨時間的延長而增加， 提高溫度可以使強度達到最高值的時間縮短。因此，為了縮短玻璃鋼制品的生產(chǎn)周期，常常在脫模后采取加熱的后處理措施， 通常環(huán)氧玻璃鋼后處 理加熱溫度控制在150C以下，不飽和聚酯玻璃鋼后處理加熱溫度控制在 120C以下。寫介質(zhì)接觸舸一逍卞“心 we：叩4丿"肚跑層圖3-8玻璃鋼耐蝕設備的基本結構(1) 耐蝕層：由表層和中間層組成，表層是接觸環(huán)境介質(zhì)的最內(nèi)層，是玻 璃面氈、合成纖維、石棉等增強的富樹脂

46、層。(2) 中間層：由短切玻璃纖維氈增強，厚約為 2.0mm左右，該層能使介質(zhì) 浸透表層后不浸透外層。(3) 外層(增強層):適用了使用條件下的耐蝕結構層，必須要滿足強度的要求。如果手糊制品不能達到要求可以增加手糊層的厚度，使制品的整體強度達到要求。(4) 最外層；為使玻璃纖維增強材料不暴露在腐蝕環(huán)境下，它的組成與面 層相同。在腐蝕不很明顯的環(huán)境下，可以省去耐蝕最外層，直接由中間層起始。在耐蝕玻璃鋼設備的設計時，特別要注意耐蝕層的剛性對整個耐蝕設 備的影響，當玻璃鋼的抗張或彎曲應變超過樹脂時，玻璃鋼就要產(chǎn)生裂紋。 一旦有裂紋產(chǎn)生，其耐蝕性就會降低。因此，在耐蝕層作用的應力，必須 控制在不使樹脂

47、產(chǎn)生裂紋的范圍內(nèi)。一般講，應變達0.20.4%時，就會產(chǎn)生裂紋。Ml注;圖中糸應為$圖3-9玻璃鋼水氣分離器、管道、煙囪設備圖例4.FRP設備設計概要4.1設計程序FRP雖然具有低值、高強、耐腐蝕等令人注目的優(yōu)點，加工容易、產(chǎn) 品的材料及結構特性可任意改變。但從設計觀點看存在一些問題： 由于原材料的多樣性，不易得到穩(wěn)定的、標準的物理性能，且因材料性 能分散性較大，可靠性較低。 影響因素多，有關性能的設計資料不可能十分完備。 FRP是各向異性材料，設計和制造各種產(chǎn)品時，在設計思想，計算方法、 設計準則和試驗方法等方面，都存在很大困難。所以，沒有建立起完整的設計體系，也不易充分理解。通常，將FRP

48、產(chǎn)品結構設計全過程歸納為三個主要內(nèi)容：（1）性能 或功設計；（2）結構（強度、剛度）設計；（3）工藝設計。這是三個截然 不能分開、相互關聯(lián)的有機整體。性能設計要以產(chǎn)品使用技術條件為主要 依據(jù)，通過選材、結構設計、工藝設計各階段的工作，使產(chǎn)品最終符合需 要的技術條件，以能發(fā)揮FRP的特性。結構設計是根據(jù)產(chǎn)品所受的載荷、 介質(zhì)、使用環(huán)境，結合工藝和性能，設計出不使材料和產(chǎn)品產(chǎn)生破壞或有 害變形的結構尺寸，確保安全使用，同時要求材料最有效地利用，以降低 消耗，減輕成本。工藝設計是針對該產(chǎn)品的特點，性能要求以及數(shù)量，選 擇合理的成型工藝方法，使該產(chǎn)品不僅成型方便、合理、質(zhì)量穩(wěn)定可靠， 而且成本低廉。4

49、.2 設計方法與設計標準FRP 結構設計的特點是材料設計和結構設計必須同時進行， 是因為材 料和結構都是在同一工藝過程中形成的。 這與傳統(tǒng)的金屬材料的結構設計 差別極大。由于實際的 FRP 結構內(nèi)在的復雜性，又由于其必竟還是一種新興材 料，對設計理論的研究還處于不斷發(fā)展、深入和完善階段。常用的設計方 法有：（1）等代設計：這是一個比較古老的方法，即在結構物形狀、載荷、使 用條件都不變的條件下，用 FRP 去代替其它材料（金屬材料） ，其設計計 算方法亦是沿用原設計方法，稍考慮一些 FRP 的特點；有時只作等強度 或等剛度換算。此方法是按強度條件設計的。（2）限定應變設計：這是一種比較新的設計方

50、法，適用于耐腐蝕的FRP設備。它是根據(jù) FRP 的破壞及腐蝕特性而提出的。能保證設備有一完整 無損的耐腐蝕內(nèi)層；設計程序更為簡單，計量小，結果更準確。因為此方 法所采用材料特性參數(shù)是彈性模量，而不需使用極限強度。一般來說，F(xiàn)RP 的模量的離散度要比強度的離散度小。（3）網(wǎng)絡分析法：對纖維纏繞內(nèi)壓容器的設計就屬此例。（4）復合材料力學設計：此方法完全從復合材料的各向異性和非均質(zhì)性 概念來研究復合材料特性，建立結構計算理論。要想使FRP結構在各種復雜狀態(tài)及要求下既能安全使用又浪費材料， 必須有一套切實可行的設計標準， 供設計人員參照執(zhí)行。 國外最早的 FRP 貯罐、容器方面的標準是美國商業(yè)部196

51、9年頒布的產(chǎn)品標準PS15-69:手 糊法成型增強聚脂耐化學腐蝕設備 。其內(nèi)容包括：力學特性、異管壁厚、 蘭法系列、管子及附件系列、內(nèi)壓管及法蘭系列（1.75-10.5Kg/cm2,共五 級），敞口立式容器最小殼體厚度系列。該標準采用的設計方法是強度條件準則， 影響甚廣，但設計方法落后， 料參數(shù)落后，材料浪費嚴重。1974年又頒布了 ASTM D3299-74纖維纏 繞玻璃纖維增強聚脂耐化學腐蝕容器標準。 該標準是關于常壓敞口、直 立、直接放置地面的橢圓形容器，設備最高溫度通常為82C（ 180F）。ASTM D3299-74 標準的最大特點是壁厚設計方法揚棄了強度設計方法， 而控制應變在 0

52、.1%條件下進行設計。英國標準BS4994-1973增強塑料容器是目前較完善的一個標準。 這個標準強調(diào)的是設計方法， 而不是產(chǎn)品條例。 設計方法的特點是強度條 件準則和限定應變準則并用，一般是按強度準則進行設計，而按限定應變 準則進行校核。設計的中心是材料設計，即壁厚求出來時，容器的鋪層設 計也完成了，材料本身的特性也就確定了。BS4994-1973是關于聚脂和環(huán)氧樹脂的手糊增強貯罐設計、材料、結 構、檢驗和實驗規(guī)范，內(nèi)容很全面，適用于帶熱塑性內(nèi)襯或不帶熱塑性內(nèi) 襯兩種情況。國內(nèi)于1984年由化工部設備設計技術中心站編制了化工設計標準 手糊法玻璃鋼設備設計技術條件（CD130A19-85）。該

53、技術條件適用于 手糊成型的耐化學腐蝕靜止 FRP化工設備（包括鋼殼內(nèi)襯FRP設備）。該 條件不涉及設計方法，只規(guī)定了有關原材料、施工、檢驗及驗收方面的技 術要求，在設計、制作FRP設備時可參考。安全系數(shù)K的確定：安全系數(shù)是一個經(jīng)驗性的系數(shù)，它包括許多影響因素，而這些因素是強度 計算的基本公式中所沒有考慮的，取決于各個分系數(shù)：K=K 1*K 2* *KmKi:與材料極限強度有關的安全系數(shù)：2.7-3, 一般取3;K2：成型工藝方法系數(shù)：手糊成型：1.6;機械操作：1.4;噴射成型：3; 纏繞成型：1.5;K3：溫度影響系數(shù)：取決于基體的HDT和設計的工作溫度（100C以下）， 取值在1-1.25

54、間，由圖2查得；K4：樹脂固化程度影響系數(shù)：取值范圍 1.1-1.5;K5：材料長期特性影響系數(shù)：結有塑性內(nèi)襯的容器：取1.2;對無襯性容器可取1.2-2.0;K6：交變載荷影響系數(shù)：根據(jù)工作特點可由 圖3確定；K7：動載荷影響系數(shù)：視設計情況酌情加入。圖2、圖3、圖4、圖5在哪里？3.3容器和貯罐設計3.3.1原材料的特性、規(guī)格原材料的選擇應根據(jù)設計條件、施工條件及經(jīng)濟性而定。部分原材料 的特性、規(guī)格分別列于下述各表中。3.3.2玻璃鋼薄壁內(nèi)壓容器設計示例設計一個玻璃鋼壓力加酸罐，工作壓力2.5Kg/cm2，容積4m3 （不計罐內(nèi)液體介質(zhì)靜壓，不計支座反力）。解：（1）結構選型根據(jù)題意要求，選用圓筒形立式貯罐，加置橢圓封頭。接壓力容器內(nèi)徑系列選擇內(nèi)直徑D i=1400mm,使Di/（2hi）=3，橢圓封頭內(nèi)高：DiHi = 2、3 = 404mm這種橢圓形罐的容積應為：4 Di2Di 2V= 3 x 4 x hi+ 4 x L其中L為切線間的筒體長度，故L = 4x (V- 3 Di2hi)/( Di2)將各數(shù)據(jù)代入：L=4 x (4- 3 *1.42*0.404