復合材料課程設計說明書 - 下載本文

表3.1無堿和中堿玻瑞纖維性能對比

種類

耐酸性 耐水性 機械強度 防老化性 電絕緣性 成本 樹脂 適用條件

好 差

高 低

較好 差

好 低

較高 好 低

用于強度高的場合 用于強度低的場合

無堿纖維 一般 中堿纖維 好

因此選用中堿玻璃纖維,各種纖維及織物的特點有:

(1)無捻纖維:無捻纖維各股紗之間張力均勻,不起毛、不斷頭、成帶性好,對樹脂浸潤性好,所制玻璃鋼管道強度也比有捻纖維要高。

(2)表面氈:表面氈應用最早,使表面產生富樹脂層而光滑有彈性,減少摩擦阻力,提高耐磨性、耐腐蝕性、耐水性、耐老化性和抗沖擊性,是制作玻璃鋼內襯耐腐蝕層的首選材料。

(3)玻璃纖維氈:常用于纏繞成型制品的富樹脂層,包括內襯層和外表層,一般采用短切氈[1],纏繞工藝對玻璃纖維氈的要求:氈片浸透性要好、消泡性要好。 3.1.3輔助材料

為使樹脂按工藝要求固化,以及改進樹脂的理化性能或固化后制品的某些性能如阻燃抗靜電、耐磨等性能通常在樹脂配方中加入某些助劑如固化劑、引發劑、促進劑、阻燃劑、脫模劑、低收縮劑等。固化劑也稱引發劑,它能使樹脂固化,是樹脂配方中不可缺少的組成部分,并且對樹脂性能有極大影響,不同樹脂的固化體系不一,即使同一種樹脂,使用環境不同,固化劑加入的量也不盡相同,需要在使用前充分試驗,確定配方后方可正式使用。在玻璃鋼中使用的不飽和聚醋樹脂、乙烯基酷樹脂等溶解在乙烯基單體中,它們進行共聚反應,是要由引發劑分解產生的游離基來引發,常用的引發劑有兩種,有機過氧化物和偶氮化合物。

引發劑的選用要考慮以下幾個因素[1]:a.樹脂活性,所選固化劑與樹脂的反應性相匹配,樹脂反應性強,選用的引發劑活性要高,樹脂反應性弱,選用的引發劑的活性要較低以免游離基產生較快,到固化后期缺乏引發劑;b.適用期,配制好的膠液必須保證有效地浸漬增強材料,其膠液的存放時間為適用期,不同配方的適用期是不同的;c.成型溫度,按成型產物溫度可分為低溫、中溫、高溫三種固化類型,必須選擇適合于該溫度范圍的有氧化物,纏繞成型法在中溫固化范圍內;d.固化速度,樹脂的固化速度與引發劑的活性、加入量和成型溫度有關,引發劑的用量一般為1%~2%,成型溫度確定,就可了解引發劑的活性與固化時間的關系,以達到放熱峰溫度來計算固化時間。

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引發劑的選用必須考慮填料、顏料及其他添加劑對固化工藝的影響,目前固化不飽和聚酷樹脂用的有機過氧化物的臨界溫度都在60℃以上,對于固化溫度要求在室溫時,這些有機過氧化物就不能滿足要求,必須設法使過氧化物的臨界溫度降低,當有機過氧化物在叔胺作用下,就可在較低溫度下產生游離基。

考慮以上因素,選擇過氧化甲乙酮作為引發劑,其價格低,性能好,使用極其方便,和樹脂混合容易。

選擇促進劑時應注意選擇活性好,用量少,膠凝時間快,應與引發劑相配合。放熱峰適當、毒性小的促進劑。 3.2管道各層性能設計

管壁可分為三層結構,即內襯層、結構層和外表層。其功能各為:內襯層主要起防腐、防滲作用;結構層承受荷載引起的各種應力;外保護層則用于防自然老化和摩擦碰撞。

內表層為富樹脂層,厚2.0mm,樹脂選雙酚A型不飽和聚酯樹脂,增強材料選中堿玻璃纖維表面氈和短切氈;

結構層選用雙酚A型不飽和聚酯樹脂,增強材料選中堿玻璃纖維無捻粗紗; 外保護層選用通用型不飽和聚酯樹脂,增強材料選中堿玻璃纖維短切氈,加入適量UV9 紫外線吸收劑,防止老化。

圖3.1 玻璃鋼管管壁結構

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4 結構設計

結構設計主要是對管道進行強度、剛度、穩定性等方畫的設計與計算,包括管道的結構層的壁厚、鋪層方式、管接頭的形式等[4]。一般設計可分為以下幾個階段[5]:分析管道的技術條件和工作條件,提出計算要求;根據技術條件進行荷載分解,然后組一合校核;進行管道設計計算;進行管道剛度及穩定性設計計算;進行管件連接設計。 4.1玻璃鋼管受力分析

輸氣管工作壓力只有均勻內壓,工作壓力在管截面上的分布如下圖所示:

圖4.1 玻璃鋼管道壓力分布

4.2管壁厚計算及校核

(1)按環向強度計算管壁厚度

查表取環向拉伸強度270MPa則環向許用應力

270??y???27MPa??10 (4.1)

再由公式

t?PwD2[σy]-Pw?1.2?2502?27010?1.2?5.7mm (4.2)

初選玻璃鋼管壁厚為5.7mm。

(2)校核軸向強度

由表查得玻璃鋼管軸向拉伸強度為85~160MPa取100MPa。又由安全系數為10得

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許用應力??x??t?PwD4[?X10010?10MPa。按??x??PW(D?t)4t,將其變換為

]?Pw (4.3)

?7.5mm帶入數值得出t?1.2?2504?10?1.2

按軸向允許應力求得玻璃鋼管壁厚度為7.5mm,大于按環形應力求得的壁厚,故管的厚度應取7.5mm方可靠。 (3)剛度校核

當管壁厚度為時,按簡支梁受均勻載荷計算,按式求其最大撓度。因為管輸送氣體,所以介質密度為零[6]。則管上的均勻載荷等于玻璃鋼管自重,玻璃鋼管的密度為1.8t/m3)即

q???2?D?2t??D2??m (4.4)

4??帶入數值得

q?π4[(0.25?0.0150)?0.25]?1.8?10223?11N/m3

玻璃鋼管截面慣性矩I0 由下式求出:

I0=(D4?d4)?4ππ4(0.26504?0.25)?48.05269?10?4m4 (4.5)

??qL4384ExI0 (4.6)

11?3.64?4 ??384?0.9?1010?8.05269?10m?6.6388?10

?7m<6.5mm

滿足剛度條件。考慮到玻璃鋼管在運輸、制造和使用中的復雜情況,壁厚應比計算值稍大,所以管壁厚度最終確定為7.5mm。

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5 工藝設計

玻璃鋼管得制造方法很多。成熟的制造方法有手糊成型法、預浸布卷管成型法、纖維纏繞成型法、拉擠纏繞成型法、PVC-玻璃鋼復合成型法和離心澆注成型法等。

根據管道的壓力和運行情況,采用纏繞成型制管工藝。纖維纏繞制管工藝是將連續玻璃纖維,浸漬樹脂膠液后,按照一定規律纏繞到芯模上,然后經固化、脫模、獲得管材[7]。

5.1纖維纏繞制管所用設備

纖維纏繞成型用的模具一般為鋼模,也可以用玻璃鋼材料制模。管徑在800以下的芯模采用整體式鋼模,管徑在800以下的采用開縮式模具。為減少模具裝卸時間,大型纏繞機常采用組合模具。即4根或6根芯模同裝在一個大轉鼓上,隨轉鼓公轉或自傳。 5.2纖維纏繞制管工藝 5.2.1纖維纏繞制管的優點

(1)能按管的受力狀況設計纏繞規律,滿足環向和軸向受力要求,充分發揮纖維強度。 (2)可靠性高 纏繞制管采用纏繞機生產,易實現自動化和機械化。工藝條件確定后,纏出來的管材尺寸精確,質量穩定。

(3)生產效率高 采用機械化或自動化纏繞機生產管,纏繞速度快,需要工人少,勞動生產率高。

(4)比強度高 纏繞制管結構層得纖維含量可達80%。其比強度不僅高于鋼和鈦,而且高于手糊和卷制玻璃鋼。

(5)成本低 纏繞制管可合理配置內襯層、結構層和外保護層材料。能降低材料成本。同時由于生產率高,還能降低加工費用。故可使纏繞管達到最佳的經濟效益。 5.2.2纖維纏繞制管工藝流程

膠液配制 模具準備 纖維準備 浸膠 張力控制 縱向纏繞 表面處理 脫模 固化 圖5.1纖維纏繞制管工藝流程

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