復(fù)合材料課程設(shè)計-玻璃鋼圓筒形水箱設(shè)計

1、前 言玻璃鋼材料具有輕質(zhì)高強的特點，用其制造的產(chǎn)品不僅性能突出，而且價格也具有競爭優(yōu)勢。玻璃鋼水箱除了以上特點外，還具有制造方便、耐腐蝕性好、衛(wèi)生、強度高、抗震性好等特點。玻璃鋼水箱按造型可分為球形、圓筒形和方形三種；按結(jié)構(gòu)構(gòu)造可分為整體式、組裝整體式和組合式三種；在制造工藝方面，傳統(tǒng)的成型工藝有手糊成型和SMC模壓成型兩種，但是隨著復(fù)合材料行業(yè)的快速發(fā)展，其成型工藝也在不斷地開發(fā)和改良，對于較大容積的玻璃鋼水箱也可以采用纖維纏繞成型（和玻璃鋼儲罐的成型工藝相同），而且用該成型工藝生產(chǎn)的產(chǎn)品的強度比用傳統(tǒng)的手糊成型和SMC模壓成型的強度要高，使用壽命較長。玻璃鋼水箱適用于建筑行業(yè)，化學(xué)化工行業(yè)

2、，汽車及鐵路交通運輸行業(yè)，船艇及水上運輸行業(yè)，電氣工業(yè)及通訊工程等領(lǐng)域。樹脂基復(fù)合材料具有性能的各向異性；非均質(zhì)性；纖維或樹脂體積含量不同，材料的物理性能差異，性能多呈分散性；材料的可設(shè)計性。正是由于復(fù)合材料具有以上特點，才使得復(fù)合材料的設(shè)計顯得尤為重要，不同的設(shè)計將造就產(chǎn)品不同的性能。本次設(shè)計所采用的為玻璃鋼圓筒形水箱，體積為，介質(zhì)為生活用水，安裝位置為建筑屋頂上，離地面高度為,而且露天放置，采用法蘭連接，手糊工藝制造。玻璃鋼水箱的設(shè)計主要有造型設(shè)計：包括外觀造型設(shè)計等內(nèi)容；性能設(shè)計：包括基體材料、增強材料以及助劑的選擇；結(jié)構(gòu)設(shè)計：包括玻璃鋼水箱的載荷計算、增強材料的鋪層等內(nèi)容；零部件設(shè)計：

3、包括水箱的零部件設(shè)計，定位尺寸等；連接包括連接的方法以及補強等內(nèi)容；以及產(chǎn)品檢驗。通過以上幾個步驟，完成玻璃鋼水箱的設(shè)計內(nèi)容。1. 玻璃鋼水箱造型設(shè)計水箱的形狀尺寸及參數(shù)圓筒形水箱通常設(shè)計成三個部件。從使用和受力角度考慮，箱底一般設(shè)計成平底?？紤]到上人和雪荷載以及便于成型，箱頂設(shè)計成圓錐形頂蓋，并留有人孔。水箱筒體設(shè)計成圓筒形，為了美觀和增強筒體剛度，有時在沿筒體高度方向有加強肋；加強肋一般都設(shè)計在水箱筒體的外面1。水箱各部件的連接，主要靠各部件上的法蘭翻邊，采用膠接與用螺栓固定，并注意密封2。圖為玻璃鋼水箱結(jié)構(gòu)模型R水箱半徑；H水箱高度；h水位高度；t箱體厚度；tb箱底厚度；tr箱頂厚度；1

4、箱頂錐殼半頂角；r1人孔半徑圖1.2 玻璃鋼水箱的整體結(jié)構(gòu)圖箱頂部：箱頂錐殼半頂角，人孔半徑，排氣孔半徑箱體：容積：，直徑：，總高：，箱體高度，箱頂高度為壁厚：，F(xiàn)RP單層板結(jié)構(gòu)，F(xiàn)RP材料密度。箱底部：底厚：。介質(zhì)為水，水的密度安裝位置，建筑物上，離地面(露天)。2.玻璃鋼水箱性能設(shè)計2.1樹脂基體玻璃鋼所用樹脂主要有：聚酯樹脂，環(huán)氧樹脂，酚醛樹脂，呋喃樹脂及改性樹脂3等。但對于玻璃鋼水箱用的樹脂一般選擇通用型不飽和聚酯樹脂或者改性環(huán)氧樹脂。尤其是盛裝生活用水的玻璃鋼水箱對樹脂的要求比較高，即該類水箱用樹脂除了要滿足力學(xué)強度方面的要求以及耐水性要求之外，還要滿足生活用水衛(wèi)生要求，因此一般會選

5、擇食品級不飽和聚酯樹脂，如通用型189樹脂等。2酚醛樹脂由Bakelite發(fā)現(xiàn)的酚醛樹脂已有130年的歷史。酚醛樹脂一般由苯酚和甲醛縮聚制成，固化后成為不熔不溶的網(wǎng)狀體型結(jié)構(gòu)，回收比較困難，跟環(huán)氧樹脂相比較，機械性能也相對較低，粘度較大需加溶劑稀釋后方可加工；固化時釋放低分子聚合物，導(dǎo)致成型工藝難度大、降低制品性能等缺點。但其也有一些優(yōu)點，最大特點便是具有良好的耐熱性和阻燃性，此外電絕緣性和耐高溫蠕變性能也比較好，價格低廉。最重要的是酚醛樹脂具有非常大的改性空間4。2 環(huán)氧樹脂環(huán)氧樹脂是一種重要的熱固性樹脂，具有良好的物理機械性能，以及電絕緣性能，耐化學(xué)腐蝕，耐熱，固化方便，黏附性強，耐酸堿及

6、一般溶劑等特點。但環(huán)氧樹脂的固化物所具有的脆性大，沖擊強度低，易開裂，等缺點，限制了環(huán)氧樹脂的進(jìn)一步應(yīng)用。環(huán)氧樹脂的種類很多，目前應(yīng)用比較廣泛的有溴化環(huán)氧樹脂，雙酚F型環(huán)氧樹脂，鄰甲酚酚醛環(huán)氧樹脂，脂環(huán)族環(huán)氧樹脂及液晶型環(huán)氧樹脂等。2 不飽和聚酯樹脂不飽和聚脂（UPR）具有優(yōu)良的電性能、耐化學(xué)腐蝕性和耐環(huán)境老化性，硬度較高和加工工藝簡便等優(yōu)點，用途廣泛。但UPR也有脆性大，強度低等缺點，使其應(yīng)用受到了一定限制。為了滿足不同的要求，會對其進(jìn)行改性，改性方法一般有：使用彈性體增強其韌性；添加剛性粒子增強其強度；添加纖維增強不飽和聚酯樹脂（包括添加天然纖維等纖維）；添加納米粒子改性；添加其他熱塑性樹

7、脂改性等方法。2 呋喃樹脂呋喃樹脂為棕紅色、琥珀色粘稠液體，微溶于水，易溶于酯、酮等有機溶劑，具有強度高、氣味小、抗吸濕、潰散性好及砂可回收再用等優(yōu)點。未固化的呋喃樹脂與許多熱塑性和熱固性樹脂有很好的混容性能，因此可與環(huán)氧樹脂或酚醛樹脂混合來加以改性。固化后的呋喃樹脂耐強酸(強氧化性的硝酸和硫酸除外)、強堿和有機溶劑的侵蝕，在高溫下仍很穩(wěn)定。表2.1四種玻璃鋼常用樹脂比較特性環(huán)氧樹脂聚酯樹脂酚醛樹脂呋喃樹脂耐酸性較好一般好好耐堿性較好差差好耐水性最好很好很好好耐溶劑性一般差好好高耐熱性較低（125）低（60-120）較高（150）高(200)機械性能好好較好較好電氣性能最好好好好固化時揮發(fā)物無

8、無有有固話收縮率小大較大較大成型壓力低-中低-中低-高低-高最大優(yōu)點機械性能最好工藝性好耐酸耐酸，耐堿最大弱點不易脫模收縮大性脆工藝性差價格高低（個別品種高）較低較低2.2 增強材料 玻璃鋼水箱設(shè)計中采用的纖維，顧名思義，自然是采用玻璃纖維，盡管使用的都是玻璃纖維，但玻璃纖維卻有很多種類供選擇使用，設(shè)計者可以根據(jù)所要設(shè)計的產(chǎn)品的性能和要求來選擇不同類型的玻璃纖維。2 玻璃纖維用熔融玻璃制成的極細(xì)的纖維，絕緣性、耐熱性、抗腐蝕性好，機械強度高。用做絕緣材料和玻璃鋼的原料等。生產(chǎn)玻璃纖維用的玻璃不同于其它玻璃制品的玻璃。目前已經(jīng)商品化的玻璃纖維有以下幾種：（1）E-玻璃 亦稱無堿玻璃，是一種硼硅酸

9、鹽玻璃。目前是應(yīng)用最廣泛的一種玻璃纖維用玻璃成分，具有良好的電氣絕緣性及機械性能，廣泛用于生產(chǎn)電絕緣用玻璃纖維，也大量用于生產(chǎn)玻璃鋼用玻璃纖維，它的缺點是易被無機酸侵蝕，故不適于用在酸性環(huán)境。（2）C-玻璃 亦稱中堿玻璃，其特點是耐化學(xué)性特別是耐酸性優(yōu)于無堿玻璃，但電氣性能差，機械強度低于無堿玻璃纖維10%20%，通常國外的中堿玻璃纖維含一定數(shù)量的三氧化二硼，而我國的中堿玻璃纖維則完全不含硼。在國外，中堿玻璃纖維只是用于生產(chǎn)耐腐蝕的玻璃纖維產(chǎn)品，如用于生產(chǎn)玻璃纖維表面氈等，也用于增強瀝青屋面材料，但在我國中堿玻璃纖維占據(jù)玻璃纖維產(chǎn)量的一大半（60%），廣泛用于玻璃鋼的增強以及過濾織物，包扎織物

10、等的生產(chǎn)，因為其價格低于無堿玻璃纖維而有較強的競爭力。（3）高強玻璃纖維 其特點是高強度、高模量，它的單纖維抗拉強度為2800MPa，比無堿玻纖抗拉強度高25%左右，彈性模量86000MPa，比E-玻璃纖維的強度高。用它們生產(chǎn)的玻璃鋼制品多用于軍工、空間、防彈盔甲及運動器械。但是由于價格昂貴，目前在民用方面還不能得到推廣，全世界產(chǎn)量也就幾千噸左右。（4）A玻璃 亦稱高堿玻璃，是一種典型的鈉硅酸鹽玻璃，因耐水性很差，很少用于生產(chǎn)玻璃纖維。表2.2幾種常見玻璃纖維力學(xué)性能玻璃纖維種類無堿玻璃纖維中堿玻璃纖維高堿玻璃纖維耐堿玻璃纖維高強玻璃纖維密度/(g/cm3)單絲拉伸溫度/MPa21371767

11、128619002764表2.3幾種常見典型玻璃纖維的化學(xué)性能比較玻璃纖維種類耐水性耐酸性耐堿性沸水煮1h后失重/%試驗后水的電阻/mol/L）沸液中煮1h失重/%mol/L）沸液中煮1h失重/%無堿玻璃纖維（E玻璃纖維）1.710000中堿玻璃纖維（C玻璃纖維）72000-高堿玻璃纖維（A玻璃纖維）1125002.3 水箱設(shè)計方案2 方案1內(nèi)襯層：mm，介質(zhì)為水，材料選用A410TL-922KR型不飽和聚酯樹脂（耐海水和酸性能好，適用于耐水膠衣層，23時黏度為3000-4000，室溫凝膠時間7-12min，具有高的變形溫度和抗彎強度），增強材料選用無堿玻璃纖維布、短切氈；結(jié)構(gòu)層：選用mm，m

12、m無堿玻璃纖維布、短切氈，樹脂基體為A400N-922型不飽和聚酯樹脂（主要用于玻璃鋼塑料制品，特別是接觸水的制品，25時黏度為850-1150，室溫凝膠時間11-19（26-34）min，具有高的變形溫度和抗彎強度）；外表層：選用通用型196不飽和聚酯樹脂，樹脂本身耐雨水性好，增強材料為無堿玻璃纖維布、纖維氈，為了防止老化，需要在樹脂中加入20%UV-9紫外線吸收劑。2 方案2內(nèi)襯層：mm，介質(zhì)為水，材料選用間苯二甲酸脂（吸水率小、耐水性好、機械強度高，能耐多種酸堿及其它介質(zhì)腐蝕，對玻璃纖維的浸潤性較好），增強材料選用無堿玻璃纖維布、短切氈；結(jié)構(gòu)層：選用mm，mm無堿玻璃纖維布、短切氈，樹脂

13、基體為U541T-901型不飽和聚酯樹脂（苯乙烯的排出量低，23時黏度為340-410，室溫凝膠時間17-30min）；外表層：選用通用型196不飽和聚酯樹脂，樹脂本身耐雨水性好，增強材料為無堿玻璃纖維布、纖維氈，為了防止老化，需要在樹脂中加入20%UV-9紫外線吸收劑。2 方案3mm，介質(zhì)為水，材料選用食品級不飽和聚酯樹脂，增強材料選用無堿玻璃纖維布、短切氈；結(jié)構(gòu)層：材料選用通用型189/191不飽和聚酯樹脂，增強材料選用mm，mm無堿玻璃纖維布、短切氈；外表層：選用通用型196不飽和聚酯樹脂，樹脂本身耐雨水性好，增強材料為無堿玻璃纖維布、纖維氈，為了防止老化，需要在樹脂中加入20%UV-9

14、紫外線吸收劑。2.4 助劑的選擇2引發(fā)劑引發(fā)劑，是一類容易受熱分解成自由基的化合物，可用于引發(fā)烯類、雙烯類單體的自由基聚合和共聚合反應(yīng)，也可用于不飽和聚酯的交聯(lián)固化和高分子交聯(lián)反應(yīng)。種類很多，按引發(fā)劑的分子結(jié)構(gòu)一般分為以下幾類：A 過氧化物引發(fā)劑，如過氧化二苯甲酰(油溶性)，過硫酸鉀(水溶性)等；B 偶氮化合物引發(fā)劑，即偶氮引發(fā)劑，如偶氮二異丁腈(油溶性)，V-50引發(fā)劑(水溶性)等；C 氧化還原體系引發(fā)劑，如過氧化氫-亞鐵鹽(水溶性)。選擇采用過氧化甲乙酮，用量為1%。2促進(jìn)劑促進(jìn)劑按其效果可以分為三類：A 對過氧化物有效的促進(jìn)劑主要是叔胺苯胺衍生物，如NN-二甲基苯胺、NN-二乙基苯胺和N

15、N-二甲基對甲苯胺等。B 對氫氧化物有效的促進(jìn)劑大都是具有變價的金屬皂，如環(huán)烷酸或亞油酸鈷、釩、錳等。C 對過氧化物和氫氧化物都有效的促進(jìn)劑有十二烷基硫醇等。這類促進(jìn)劑目前還沒有應(yīng)用于實際。由于促進(jìn)劑與引發(fā)劑是相搭配的，故選擇采用與過氧化甲乙酮引發(fā)劑相適應(yīng)的過乙酸叔丁酯作為促進(jìn)劑，用量為1%。2脫模劑按性狀分為內(nèi)脫模劑，用于模壓和熱固化，外脫模劑，用于手糊和冷固化，薄膜型脫模劑，混合溶液型脫模劑，油蠟型脫模劑。具體種類有有：聚酯薄膜，玻璃紙，聚氯乙烯薄膜，聚乙烯薄膜等。脫模劑選擇原則：MPa；成膜時間短，厚度均勻，表面光滑；使用安全，無毒害作用；耐熱、能以受加熱固化的溫度作用；操作方便，價格便

16、宜。選擇采用聚乙烯醇溶液。3. 玻璃鋼水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1載荷設(shè)計3.1.1靜水壓設(shè)計靜水壓，按水箱內(nèi)的最高水位決定。靜水壓參照表3.1取值。表3.1靜水壓取值項 目數(shù) 值水箱高度/m最高水位/m1.6靜水壓值/MPa3.1.2 風(fēng)壓荷載風(fēng)壓力按下式計算： (3.1) 式中風(fēng)力系數(shù)，水?。伙L(fēng)速壓，與水箱離地高度有關(guān)。時， >時， 由于水箱安放高度為離地面，所以風(fēng)壓力為 3.1.3 雪荷載計算 雪荷載按表3.2取值。表3.2雪荷載取值最大積雪深度/cm每1cm厚雪質(zhì)量/(kg/m2)計算取值/(kg/m2)30以內(nèi)3050以內(nèi)75100以內(nèi)200雪載荷取值3.1.4 人荷載 人荷載以計算3.

17、2 水箱結(jié)構(gòu)設(shè)計3安全系數(shù) 安全系數(shù)的確定，可參照鋼結(jié)構(gòu)或混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。強度計算的安全系數(shù)參照表3.3取值。考慮到長期載荷下能夠安全使用較長時間取安全系數(shù)為K=10表3.3強度計算的安全系數(shù)名稱 長期荷載 短期荷載 水壓 8 4擋板 應(yīng)力 其他玻璃鋼 3 2補強零件 聚氯乙烯 3 2 聚乙烯 4.5 23. FRP材料的彈性系數(shù)及許用應(yīng)力該水箱為玻璃鋼手糊制品，按一般手糊玻璃鋼力學(xué)性能取，。由此FRP材料的許用應(yīng)力為， ，。3.箱體壁厚（1）、對于手糊成型的玻璃鋼水箱，其箱體壁厚一般都是均勻的，即是以理論計算的箱體底端的厚度為整個箱體部分的厚度，而且其壁厚的設(shè)計計算可以根據(jù)立式貯罐的筒身

18、壁厚計算方法來計算設(shè)計。采用立式貯罐的壁厚計算壁厚為6： (3.2) 式中;，為水的密度；。K為安全系數(shù)，取10所以故厚度近似?。?）、風(fēng)載荷下的箱體壁厚水箱所受的風(fēng)壓力為則水箱沿高度方向承受的均布載荷為 (3.3) 由風(fēng)壓引起的最大彎矩為 ) 用式(3.5)來計算水箱在風(fēng)載荷下的厚度，代入數(shù)據(jù)得因此箱體的壁厚取水箱的最小壁厚為，。3.3 箱體部位應(yīng)力及變形的分析與計算3.3.1 箱體受力分析箱體在水箱自重及靜水壓力作用下，受到壓縮應(yīng)力、彎曲應(yīng)力及剪應(yīng)力。該應(yīng)力值在箱體與箱底聯(lián)接處最大。由自重產(chǎn)生的最大壓縮應(yīng)力m，max由下式計算7： (3.6) 式中 mFRP材料的密度； R水箱半徑； H水

19、箱高度； tr箱頂厚度； t箱底厚度。帶入數(shù)據(jù)得由靜水壓產(chǎn)生的最大彎矩及對應(yīng)的最大彎曲應(yīng)力由下式計算: (3.7) (3.8) 式中為水的密度；水位高度；為FRP材料的泊松比；為截面系數(shù)，；。 帶入數(shù)據(jù)得： =由靜水壓產(chǎn)生的最大剪力及對應(yīng)的剪應(yīng)力由下式計算： (3.9) (3.10) 帶入數(shù)據(jù)得：由靜水壓產(chǎn)生的最大周向應(yīng)力及最大撓度由下式計算: (3.11) (3.12) 式中Et為FRP材料的拉伸彈性模量，取Et=200MPa帶入數(shù)據(jù)得：3.3.2強度校核綜上可知箱體部分設(shè)計符合強度要求。3.4 箱底部位應(yīng)力及變形的計算由于本設(shè)計的水箱為平底水箱，可以直接安放在水平基礎(chǔ)面上，也可以設(shè)計支撐臺

20、架來支撐水箱。3.4.1 支撐部分設(shè)計設(shè)支撐臺架長方形部分長邊的長度為a，短邊的長度為b，x-y坐標(biāo)的原點在長方形的中心位置8。由靜水壓產(chǎn)生的最大彎矩、最大彎曲應(yīng)力和最大撓度值，可分別由下式計算： (3.13) (3.14) (3.15) 式中ps箱底的靜水壓力；、是參數(shù)的函數(shù)；其值由表3.4選?。槐?.4等分布壓力作用下周邊固定支撐長方形板的、值a/ba/bZb截面系數(shù)，；EbFRP材料的彎曲彈性模量；tb箱底厚度。對箱底部分支撐臺架的尺寸參數(shù)為r1=25cm，r2=R=150cm，a=80cm，b=40cm，a/b=2，由表3-4254829，帶入數(shù)據(jù)計算箱底部各部分的應(yīng)力值及撓度值，并與

21、對應(yīng)的許用值進(jìn)行比較，進(jìn)行安全評價：3MPa=0.723cm3.4.2 強度校核=MPa<15MPa =0.723cm<0.025b=1.0cm 3.5箱頂部的計算3.5.1 載荷分析當(dāng)水箱承受的壓力達(dá)到某一臨界值時，水箱雖不至破壞，但會失穩(wěn)該應(yīng)力值就是屈曲臨界應(yīng)力。對水箱進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計時，需要計算屈曲臨界應(yīng)力，再進(jìn)行比較，以確定水箱結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，由彎距產(chǎn)生的箱體部的屈曲臨界應(yīng)力按以下公式計算： (3.16) 式中1(R/t)的函數(shù)，其值由圖3.1選取。圖3.1 1-R/t曲線圖對于箱體的剪切屈曲，其臨界剪應(yīng)力，而根據(jù)Z值的不同，有不同的計算公式，這里。 當(dāng)時， (3.17) 當(dāng)時，

22、(3.18) 式中Cs為參數(shù)(R/t)的函數(shù)，由圖3.2取。圖3.2 Cs-R/t曲線圖對于水箱頂部，取錐形殼體的半頂角1=75°，r1=25cm，R=150cm。箱頂部由集中載荷產(chǎn)生的屈曲，其臨界應(yīng)力與臨界載荷由下式計算： (3.19) 式中 (3.20) 式中1箱頂錐殼半頂角；r2參數(shù)Rc/tr的函數(shù)，由圖3.3中選取圖3.3 2-Rc/tr曲線圖3.5.2校核因為Z=53130 ，由圖可得CS=0.6，所以=12.07MPa=KNKN，遠(yuǎn)小于該值，所以設(shè)計的頂蓋是安全的。綜上所述，水箱的設(shè)計是安全的。4. 玻璃鋼水箱工藝設(shè)計玻璃鋼水箱的傳統(tǒng)成型工藝有手糊成型和SMC模壓成型兩種

23、，而對于圓筒形水箱，其筒身部分屬于軸對稱結(jié)構(gòu)，還可以考慮采用纏繞工藝制造筒身9 。4.1工藝特點4手糊成型特點不需復(fù)雜的設(shè)備，只需簡單的模具、工具，故投資少、見效快，適合我國鄉(xiāng)鎮(zhèn)企業(yè)的發(fā)展；生產(chǎn)技術(shù)易掌握，只需經(jīng)過短期培訓(xùn)即可進(jìn)行生產(chǎn)；所制作的FRP產(chǎn)品不受尺寸、形狀的限制，如：大型游船、圓屋頂、水槽等均可；可與其他材料如：金屬、木材、泡沫等）同時復(fù)合制作成一體；對一些不宜運輸?shù)拇笮椭破罚ㄈ纾捍蠊?、大型屋面）皆可現(xiàn)場制作10。4.1.2 SMC工藝特點操作方便，易實現(xiàn)自動化，生產(chǎn)效率高，改善了手糊成型的作業(yè)環(huán)境和勞動條件；通過改變配方，可改變成型工藝和制品性能；通過料的種類和加入量，可降低成本

24、和產(chǎn)品重量；成型流動性好，可成型結(jié)構(gòu)復(fù)雜的制品和大型制品；制品尺寸性穩(wěn)定，表面質(zhì)量好，簡化了后處理工序；增強材料在生產(chǎn)與成型過程中均無損傷，長度均勻，制品強度高，可進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計11。SMC成型工藝的缺點在于由于成型需要在加熱加壓條件下進(jìn)行，因此對成型設(shè)備和模具方面的投入較大。4.1.3 纏繞工藝特點纏繞制品的特點除具有一般玻璃鋼的特點外，還有以下特點：纖維含量可高達(dá)80%，故其比強度高于其他玻璃鋼；質(zhì)量穩(wěn)定，易于機械化、自動化，生產(chǎn)效率高，便于大規(guī)模生產(chǎn)；大量采用無捻粗紗，雖后期的生產(chǎn)成本比較低，但是初期的投入成本比較高，不利于小批量產(chǎn)品的生產(chǎn)；性能上呈現(xiàn)顯著的各向異性，縱向強度高，橫向及

25、層間強度低；纏繞制品開孔處應(yīng)力集中程度高，應(yīng)作局部加強處理12。4.2 手糊成型整體式水箱標(biāo)準(zhǔn)要求4.2.1 原材料增強材料應(yīng)符合GB/T 14354中的規(guī)定13；富樹脂層樹脂應(yīng)符合GB/T 14354中的規(guī)定；輔助材料應(yīng)符合GB 9685的規(guī)定。4.2.2外觀mm，表面應(yīng)光滑平整，不允許纖維裸露，不允許有明顯氣泡；水箱外表面有均勻膠衣層，表面光滑無裂紋，不允許有明顯傷痕，色調(diào)均勻，外表面缺陷允許修補，但修補后的顏色應(yīng)保持一致；水箱邊緣應(yīng)整齊，厚度均勻，無分層，加工斷面應(yīng)加封樹脂。4.3 采用工藝相比較三種成型工藝而言，由于成型產(chǎn)品為23m3的圓筒形水箱，但由于纏繞成型的初期投入的成本比較高（

26、即設(shè)備成本比較高）；故考慮成本因素，采用手糊工藝比較合適14。4.3.1 手糊工藝A 分類手工鋪層糊制分濕法和干法兩種：干法鋪層用預(yù)浸布為原料，先將預(yù)學(xué)好料按樣板裁剪成壞料，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，扣除氣泡，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(jié)構(gòu)層糊制。B手糊工藝流程玻璃纖維及其織物脫蠟裁剪樹脂及制劑配膠模具涂脫模劑手糊成型固化脫模修飾成品圖4.1 玻璃鋼手糊成型工藝流程a 玻璃纖維及其織物的準(zhǔn)備：玻璃纖維布首先要進(jìn)行熱處理去除纖

27、維表面的蠟，然后按要求裁剪，玻璃布的裁剪要與以后的鋪放緊密配合，否則將難以得到質(zhì)量優(yōu)良的制品。b 配膠：按制品的性能要求選擇樹脂，膠液配制的控制指標(biāo)是流動性(粘度)及凝固時間。每次配膠量不宜過多，以免膠凝不好操作。c 模具的準(zhǔn)備：手糊成型時均采用木模，為脫模方便，在模具表面要涂脫模劑。d 糊制成型：糊制是在模具上先涂上層膠衣樹脂，然后鋪放一層玻璃布，用工具貼在玻璃布上以排除氣泡。重復(fù)上述操作，直至達(dá)到所需厚度。環(huán)境溫度對樹脂固化影響很大，一般要求環(huán)境溫度不低于1 5 ，濕度不大于80% 。e 固化、脫模、修飾：固化為常溫固化，制品經(jīng)24小時后，固化大致完成。脫模后放置5-6天，使之充分固化，然

28、后進(jìn)行去毛邊等修飾工作，最后組裝成不同體積的各式水箱。4.4 鋪層設(shè)計4.4.1筒身鋪層厚度為9mm，結(jié)構(gòu)層>7mm，經(jīng)計算，鋪層厚度為16層，由于主要承受環(huán)向壓力，所以鋪層方向為0°和90°交替鋪設(shè)。采用玻璃纖維氈，玻璃纖維短切氈或者單軸，雙軸纖維布等均可以15。表4.1水箱筒身鋪層設(shè)計表11200g/m2，0/90，雙軸纖維布2-41200g/m2，單軸纖維布5-81200g/m2，0/90，雙軸纖維布9-111200g/m2，單軸纖維布12-131200g/m2，0/90，雙軸纖維布14-151200g/m2，0/90，雙軸纖維布161200g/m2，0/90，

29、雙軸纖維布4.4.2箱頂鋪層鋪層厚度減小，計算后的具體鋪層為16層，但由于受力較箱底小，用雙軸纖維布和單軸纖維布或短切氈。表4.2水箱筒頂鋪層設(shè)計表11200g/m2，0/90，雙軸纖維布2-41200g/m2，單軸纖維布5-81200g/m2，0/90，雙軸纖維布9-111200g/m2，單軸纖維布12-131200g/m2，0/90，雙軸纖維布14-151200g/m2，0/90，雙軸纖維布161200g/m2，0/90，雙軸纖維布4.4.3箱底鋪層厚度為15mm，結(jié)構(gòu)層>13mm，經(jīng)計算，鋪層厚度為27層，由于主要承受徑向壓力，所以鋪層方向為0°45°和90&#

30、176;交替鋪設(shè)。采用玻璃纖維氈，玻璃纖維短切氈或者單軸，雙軸和三軸玻璃纖維布等均可以。表4.3玻璃鋼水箱箱底鋪層設(shè)計表11200g/m2，±45雙軸纖維布2-61200g/m2，-45/90/45，三軸纖維布7-111200g/m2，單軸纖維布12-141200g/m2，-45/90/45，三軸纖維布15-191200g/m2，單軸纖維布20-241200g/m2，±45雙軸纖維布25-261200g/m2，-45/90/45，三軸纖維布4.4.4人孔蓋的鋪層具體尺寸參考零部件設(shè)計，鋪層同箱頂鋪層。4.5模具設(shè)計4 模具材料選擇原則A 能夠滿足制品的尺寸精度、外觀質(zhì)量以及

31、使用壽命要求；B 模具材料要有足夠的強度和剛度，保證模具在使用過程中不易變形和損壞；C 不受樹脂侵蝕，不影響樹脂固化；D 耐熱性好，制品固化和加熱固化時，模具不變形；E 容易制造，容易脫模；F 晝減輕模具重量，方便生產(chǎn)；G 價格便宜，材料容易獲得。能用作手糊成型模具的材料有：木材，金屬，石膏，水泥，低熔點金屬，硬質(zhì)泡沫塑料及玻璃鋼等。4 模具構(gòu)造 接觸成型模具分為：陰模、陽模和對模三種，不論是哪種模具，都可以根據(jù)尺寸大小，成型要求，設(shè)計成整體或拼裝模。A 陰模它的工作面向內(nèi)凹，生產(chǎn)出來的制品，外表面光潔，尺寸準(zhǔn)確，脫模容易。對于高度較大的制品，由于陰模生產(chǎn)排氣和散熱困難，操作不便，勞動條件差，

32、而且質(zhì)量不容易控制。常用來制造船殼，機罩，雷達(dá)罩等外表面要求光滑的制品。B 陽模產(chǎn)品內(nèi)表面光滑，尺寸準(zhǔn)確，操作方便，質(zhì)量容易控制，通風(fēng)、排氣和散熱方便，勞動條件好。常用來生產(chǎn)浴盆、貯槽等內(nèi)表面要求光滑的產(chǎn)品。C 對模它有陰模和陽模組成，通過定位銷裝配，它的產(chǎn)品內(nèi)外表面都光滑，尺寸準(zhǔn)確，厚度均勻，不適用生產(chǎn)大型制品。E 拼裝模由多個模拼裝而成，這種模構(gòu)造復(fù)雜，但脫模方便。4 模具材料 手糊模具常用的材料主要有：木材、金屬、石膏、石蠟、水泥、可溶性鹽、低熔點金屬、玻璃鋼等。根據(jù)產(chǎn)品內(nèi)外表面的光潔度以及精度等的要求，考慮材料的成本。法蘭模具材料選用水泥，為陽模。水箱箱頂，箱體，箱底等采用玻璃鋼模具，

33、同樣為陽模，采用手糊工藝制造。5. 玻璃鋼水箱零部件設(shè)計零部件主要有進(jìn)出水孔，溢流孔等，可以采用三通，法蘭，彎管等，考慮成本、制造工藝及安裝等，決定采用法蘭。帶有翻邊的玻璃鋼三通圖5.2 帶有翻邊的玻璃鋼法蘭圖5.3 帶有翻邊的玻璃鋼彎管5.1 法蘭對于法蘭的設(shè)計主要參照HG 20595-97進(jìn)行尺寸設(shè)計。5制造過程A模具準(zhǔn)備：包括清理、組裝及涂脫模劑（黃油，聚酯薄膜）等；B樹脂膠液配制的配制，增強材料準(zhǔn)備；C糊制與固化：采用手工鋪層糊制濕法成型，直接在模具上鋪放增強材料，后浸膠，一層一層地緊貼在模具上，扣除氣泡，使之密實。分為膠衣層糊制和結(jié)構(gòu)層糊制。D脫模和修整。5.2人梯水箱體積為，需要設(shè)

34、置內(nèi)外人梯。5.3進(jìn)水孔高度為，孔徑大小為，位置選定后作為其他孔的基準(zhǔn)，采用法蘭連接。5.4溢流孔 高度為2330mm處，孔徑大小為，與進(jìn)水孔的角度相差180°，采用法蘭連接。5.5出水孔高度為150mm處，孔徑大小為，在進(jìn)水孔正下方，采用法蘭連接。5.6 人孔及人孔蓋孔徑為，用法蘭連接，法蘭厚度為,伸出長度為，位置在頂蓋中間，需要再制作一人孔蓋，人孔蓋直徑為，厚度為，螺孔分布圓直徑為，采用螺栓連接，螺栓孔徑為。5.7 氣孔孔徑為，位置在人孔蓋的中間，形狀為彎管，采用法蘭連接。5.8 排污孔孔徑為，離底板高度為（即安裝高度為）,與出水孔的角度差為，采用法蘭連接。6. 玻璃鋼水箱連接6

35、.1膠接連接6.膠黏劑膠黏劑一般可以采用成型玻璃鋼水箱所采用的不飽和聚酯樹脂加入引發(fā)劑、促進(jìn)劑等配制而成。6表面處理膠結(jié)表面應(yīng)平整，但不宜光滑。膠結(jié)前應(yīng)預(yù)先使用砂紙進(jìn)行打磨，把附著在表面的脫模劑、灰塵、水分等影響膠結(jié)質(zhì)量的物質(zhì)清除干凈。6膠接接點膠接接點的形式一般分為對接，搭接，斜口接、T型粘結(jié)等幾種。在膠結(jié)過程中，尚需注意以下事項。A 在兩次膠接區(qū)，已固化層合板的最后一層最好用玻璃纖維短切原絲氈，膠接面應(yīng)打磨，并清除油污及灰塵。第二次膠接的第一層也最好采用玻璃纖維短切原絲氈。B 連接層的各層采用逐層增長的模式連接。如果是帶角度的連接，必須先用膩子刮成一定的弧度，然后再進(jìn)行連接。C 連接板厚度

36、應(yīng)不大于下列值。層合板與層合板連接，兩塊被連接的層合板中較薄板厚板的一半；夾層板與夾層板連接，兩塊被連接的夾層板中較薄面板的厚度；層合板與夾層板連接，層合板厚度的一半或夾層板的板厚取較小者。6.2 機械連接A 機械緊固件應(yīng)選用合適與使用要求的材料，并且與被緊固件在電化上相容。B 玻璃鋼層合板的所有裸露邊緣要用樹脂封閉，加層板的邊緣極其開孔的邊緣應(yīng)用浸透樹脂的氈封閉。C 對要求水密的連接，則應(yīng)采用保證水密的措施。D 應(yīng)設(shè)置墊圈，墊圈的直徑不應(yīng)小于2.5D。E 機械連接開孔的孔距與端距應(yīng)符合標(biāo)準(zhǔn)。表6.1機械連接時的端距、邊距、列距、行距標(biāo)準(zhǔn)層合板厚度/10-3m端距/10-3m邊距/10-3m列

37、距/10-3m行距/10-3m3-54D>4D>52D4D>4D6.3 箱頂蓋、箱底、筒身的連接箱底與筒身和箱頂與筒身均采用膠接連接，連接面處需作不強處理。6.4 人孔及法蘭連接人孔及法蘭的開設(shè)可以待水箱整體拼裝完成后再按位置開孔安裝，也可在拼裝前預(yù)先安裝。前者位置較準(zhǔn)確，后者定位誤差較大?？蓪⒍呦嘟Y(jié)合，即箱頂部分的人孔接管法蘭預(yù)先安裝好，側(cè)壁部分采用成型后進(jìn)行機械打孔，安裝后需進(jìn)行補強。此外，所有人孔、接管法蘭的安裝，都應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行三角撐板加強和內(nèi)外補強。6.5側(cè)板與底板及側(cè)板與側(cè)板之間的補強側(cè)板與底板之間的補強方法：選用輕質(zhì)二氧化硅配置樹酯膠泥，在直角接縫處刮出R=

38、80mm的過渡圓弧。固化后再用短切氈補強厚t=5mm寬各300mm。側(cè)板與側(cè)板之間的補強方法：以接縫為中線將200mm寬的短切氈5層依次鋪上，滾平。補強時，壁板應(yīng)先打磨干凈，所用樹脂和短切氈與內(nèi)襯層相同。圖接縫處的補強圖6.2 法蘭的補強7. 玻璃鋼水箱檢驗方法7.1根據(jù)不同試驗項目分別采用整體式水箱或隨爐試樣試驗項目及試樣形式見表7.1表7.1試驗項目及試樣形式測試項目耐水性滿水變形進(jìn)出口水密封性外觀檢查水質(zhì)衛(wèi)生檢查其他各項試樣形式整體水箱表面積為60cm2與水箱內(nèi)表面等效樣塊隨爐試樣7.2外觀 目測，外觀沒有明顯裂紋為合格。7.3拉伸強度 拉伸強度按GB/T 1447測定，符合標(biāo)準(zhǔn)則為合格

39、。7.4 彎曲強度和彎曲模量 彎曲強度及彎曲模量按GB/T 1449測定，符合標(biāo)準(zhǔn)則為合格。7.5 巴氏硬度 巴氏硬度按GB/T 3854測定，符合標(biāo)準(zhǔn)則為合格。7.6 樹指含量和富樹脂層樹脂含量 樹脂含量及富樹脂層樹脂含量按GB 2577測定，符合標(biāo)準(zhǔn)則為合格。7.7 吸水性 吸水性按GB/T 1462測定，符合標(biāo)準(zhǔn)則為合格。7.8 固化度 固化度按GB/T 2576測定，符合標(biāo)準(zhǔn)則為合格。7.9 滲水性 將水箱放置在高度為45cm以上，與水箱使用狀態(tài)相同的臺架上，裝滿水使水位達(dá)到溢流孔位置，放置24h后，觀察有無滲漏現(xiàn)象17。7.10進(jìn)出水口密封性如圖7.1所示，在進(jìn)出水孔上安裝與進(jìn)出水孔

40、相適應(yīng)的金屬管道，在跨度70cm的一端設(shè)立一個支點，在中間加荷重0. 98kN (100 kgf )，觀察水箱在滿水狀態(tài)下1h后進(jìn)出水孔是否漏水18。圖7.1進(jìn)出水孔密封試驗7.11 滿水變形試驗 將水箱放置在高度為45cm以上的臺架上，如圖所示，在水箱側(cè)壁及底部最大變形處裝上百分表，安裝時應(yīng)避開加強筋處，然后裝滿水放置1h后測定周圍及底部的最大變形量。滿水變形按7.1、7.2式計算: 式中： 側(cè)壁變形，% 底部變形，% 側(cè)壁最大變形量，mm 底部最大變形量，mm 水箱底部到溢流孔高度，mm 水箱底部支撐間距，mm圖7.2滿水變形量試驗裝置7.12水箱水質(zhì)衛(wèi)生性試驗按GB 5750進(jìn)行，符合標(biāo)

41、準(zhǔn)則為合格。7.13檢驗規(guī)則7出廠檢驗每臺水箱出廠前，應(yīng)進(jìn)行外觀、滲水性、進(jìn)出水口密封性檢驗。7.13.2判定規(guī)則出廠檢驗各項均符合要求，判產(chǎn)品合格。如有不符合要求的，允許修補，修補后仍不合格則判為不合格品。7.13.3型式檢驗7.13.4有下列情況之一時，進(jìn)行型式檢驗A 水箱試制和鑒定；B 主要原材料及配方改變；C 工藝條件及成型方法改變；D 正常生產(chǎn)1年，或停產(chǎn)1年以上恢復(fù)生產(chǎn)時；E 使用方提出要求時；F 國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗機構(gòu)提出要求時。7.13.5檢驗項目型式檢驗在鄰近型式檢驗同期檢查時生產(chǎn)的一臺水箱上進(jìn)行。檢驗項目包括水箱外觀、理化性能指標(biāo)，水質(zhì)衛(wèi)生性能。7.13.6判定規(guī)則每項檢驗均

42、符合要求時，則判型式檢驗合格，如某1項不符合則取雙倍試樣進(jìn)行復(fù)驗，如符合要求則判為合格，否則為不合格。小 結(jié)復(fù)合材料課程設(shè)計是專門為復(fù)合材料專業(yè)的學(xué)生而開設(shè)的一門實踐課程，是基于復(fù)合材料產(chǎn)品設(shè)計這門課的綜合實踐課程，其要求復(fù)合材料專業(yè)的學(xué)生將前期所學(xué)的基礎(chǔ)專業(yè)知識以及其他公共基礎(chǔ)課程知識綜合系統(tǒng)地融合在一起并加以應(yīng)用，以達(dá)到真正對復(fù)合材料專業(yè)知識的融會貫通。該課程設(shè)計綜合了復(fù)合材料制品設(shè)計及應(yīng)用、復(fù)合材料工藝與設(shè)備、復(fù)合材料聚合物基體、復(fù)合材料結(jié)構(gòu)與設(shè)計等復(fù)合材料課程以及機械制造基礎(chǔ)、工程制圖等機械類課程的多學(xué)科產(chǎn)物。設(shè)計過程中對于多學(xué)科的交叉有了進(jìn)一步的認(rèn)識與了解，在這基礎(chǔ)之上進(jìn)行產(chǎn)品的外觀

43、、結(jié)構(gòu)、性能等的設(shè)計需要涉及到很多內(nèi)容，不僅需要掌握基本知識，還需要進(jìn)行之上的綜合處理。對于復(fù)合材料行業(yè)，該行業(yè)可以說是一個比較新興的行業(yè)，發(fā)展還不是很完善，其產(chǎn)品設(shè)計最大的問題就是還沒有形成一個比較統(tǒng)一的工業(yè)體系標(biāo)準(zhǔn)（如相關(guān)產(chǎn)品設(shè)計需遵循的國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)），因此給復(fù)合材料專業(yè)設(shè)計人員帶來較大的困難。當(dāng)然，由于復(fù)合材料自身所特有的性能可設(shè)計性的特點，也使得復(fù)合材料的設(shè)計又具有靈活性，設(shè)計者可以根據(jù)自己的需要選擇適當(dāng)?shù)脑牧线M(jìn)行性能設(shè)計以達(dá)到所要求的性能。性能設(shè)計所選用的材料有很多，比如樹脂基體，增強材料等，這些材料的選擇的豐富性讓各層設(shè)計都凸顯出其特點。在成型工藝方面，傳統(tǒng)的玻璃鋼水箱一

44、般以手糊成型和SMC模壓成型為主，但隨著復(fù)合材料行業(yè)的不斷發(fā)展，其成型工藝也得到很大的改善和提高，不斷有新的成型工藝被開發(fā)出來，比如常用于玻璃鋼管道和玻璃鋼儲罐的纏繞成型和噴射成型也可以用于圓筒形玻璃鋼水箱和圓柱形玻璃鋼水箱，而且用纏繞成型出來的水箱制品的強度也明顯提高很多。當(dāng)然對于目前的水箱主要以SMC模壓成型的方形水箱居多。在整個設(shè)計過程中，不管是性能設(shè)計還是成型工藝的選擇，甚至是結(jié)構(gòu)設(shè)計，都需要綜合考慮各種因素，包括性能、加工成本、制造難度、產(chǎn)品外觀質(zhì)量以及產(chǎn)品質(zhì)量的維修成本等等。通過課程設(shè)計，讓自己對大學(xué)四年所學(xué)的知識進(jìn)行了一次比較完善的融合，是自己對所學(xué)專業(yè)知識有了更深的理解和掌握，

45、也在一定程度上對復(fù)合材料行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)設(shè)計有了一定的認(rèn)識，同時在設(shè)計過程中也發(fā)現(xiàn)了不少的不足。但在整個設(shè)計過程著實讓自己獲益匪淺。參考文獻(xiàn)1 劉雄亞,晏石林.復(fù)合材料制品設(shè)計及應(yīng)用M.北京:化學(xué)工業(yè)出版社,20032 曾黎明,汪水平.FRP圓筒形玻璃鋼水箱結(jié)構(gòu)分析與計算J.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2000,4(22):44-473 謝維章,談智和.玻璃鋼RO特種水箱設(shè)計及制造J.玻璃鋼.2008,4:8-174 趙玉庭,姚希曾.復(fù)合材料聚合物基體M.武漢:武漢理工大學(xué)出版社,20045 陳昌泮,玻璃鋼水箱的結(jié)構(gòu)設(shè)計J.玻璃鋼.1998,3:23-276 Welded.American Petrole

46、um Institute.Design and Construction ofLarge.Low Pressure Storage Tanks APISTANDARD620 J.19967 虞國平,吳群益.食品級玻璃鋼水箱板塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計J.玻璃鋼.1998,4:24-288 郭田敏.山西省化工設(shè)計院.農(nóng)機推廣安全J.2006,11:36-379 劉雄亞,謝懷勤.復(fù)合材料工藝與設(shè)備M.武漢:武漢工業(yè)大學(xué)出版社,199710 趙貴哲,張彥飛.復(fù)合材料工藝與設(shè)備講義M.太原:中北大學(xué)出版社,200911 王宏偉,梁茂變.論SMC不飽和聚酯玻璃纖維復(fù)合材料的應(yīng)用研究J.科苑論壇,5:246-24712 Centrifugally cast filled glass fiber reinforced unsaturatedpolyester (UP-GF) pipesJ.polymer.2006,5:15-1913 Lubin G.Handbook of Fiberglass and Advanced Plastics Composites.Van Nostrand Reinhold Compony.1996,6:420-45714 萬友生,周祝林.