复合材料课程设计

复合材料结构设计课程报告

本次设计的为一贮罐，该贮罐中储存的物质为饱和盐水，根据实际环境压力要求以及饱和盐水的物化特性，本文介绍了该种贮罐设计时所应考虑的诸多问题，如构型确定、原材料选择、结构设计、强度校核以及工艺设计。

姓名：荆怀帅 班级：材料1401 学号: 5120142046

指导教师：任先艳

提交时间：2017年6月11日

1. 构型设计

1.1 贮罐的构造尺寸确定

立式贮罐的容积初设为V=180m3，初取贮罐的直径4m ，则贮罐高度H=πD 3.14×4=14.3m ，故可初选贮罐的结构尺寸为：D=4.0m ；H=14.5m 。 1.2 贮罐顶盖的设计

玻璃钢贮罐顶盖有平顶盖、锥形顶盖和椭圆形顶盖三种形式。本设计采用拱形顶盖，与锥形顶盖相比，其结构简单、刚性好、承载能力强，是立式贮罐广为使用的一种形式。为取得罐顶与罐壁等强度，罐顶的曲率半径与贮罐直径差值不超过20%。即R 0=（0.8~1.2）D 。 1.3 贮罐罐底设计

立式贮罐罐底采用平底，罐体与罐底的拐角处理，对贮罐设计极为重要。尤其是立式贮罐底部受力较为复杂，应引起足够的重视。一般在拐角处都应设计成一定的圆弧过渡区，圆弧半径不应小于38mm 。 1.4 支座设计

常用立式贮罐支座有床式、悬挂式、角环支撑式和裙式4钟形式。床式支座是将贮罐直接置于基础上，属于直接支撑形式。因为支承面积大、设备底部的应力状态均匀、应力集中的现象较少，所以这种支承方式可以不再采取其他固定措施，对于室外大型设备，大多要另加地角螺栓固定，本设计采用床式支座。因为该贮罐比较大，所以要另加地脚螺栓固定。如图所示。

4V

4×180

2. 原材料选择

2.1 树脂的选择

根据制品的使用条件，对复合材料的物理性能、耐化学腐蚀性能及力学性能进行设计，储罐中储存的物质为饱和盐水，使用温度为80℃，有使用条件可知，所选择的树脂必须耐盐，具有高的热变形温度，此外还要有一定的力学承载能力。

贮罐设计中常用树脂主要是不饱和聚酯树脂，由于不饱和聚酯树脂价格便宜，也可以满足储罐的使用要求，常用不饱和聚酯树脂的牌号如下：

表2-1 树脂的选择要点

树脂基体 代号 邻苯型

OP

产品性能

适用场所 常用于一般的腐蚀环境，海水腐蚀、弱酸腐蚀及大气老化腐蚀。

常用于酸性腐蚀较强或碱性腐蚀一般的环境。 常用于酸、碱、盐溶剂等腐

具有一般的耐腐蚀性能，可耐海水、弱酸及大气老化环境，长期使用温度-50℃～60℃ ，最高使用温度达100℃ ，这是一种较经济的树脂类型，耐腐蚀性一般，阻燃氧指数约为26。 具有优异的耐腐蚀性能, 可耐中等浓度无机酸、碱、各种盐类等

间苯型

IP

VE

环境，长期使用温度-50℃～90℃ ，最高使用温度达105℃ ，阻燃氧指数约为26。

具有优异的耐腐蚀性能，可耐酸、碱、盐溶剂或酸碱交替等恶劣具有优异的耐腐蚀性能，可耐酸、碱、盐溶剂或酸碱交替等恶劣

乙烯基型

的腐蚀环境，长期使用温度-50℃～110℃ ，阻燃氧指数约为28。 蚀严重的环境。 的腐蚀环境，长期使用温度-50℃～110℃ ，其阻燃性能高于一般树脂，氧指数为28～35。

间苯型食品级树脂同间苯树脂一样具有优良的耐腐蚀性能，长期

常用于有阻燃要求的使用环境。

常用于肉制品、食品加工厂及自来水厂。

阻燃型

FI

食品级型 FO

使用温度-50℃～90℃ ，最高使用温度达105℃，阻燃氧指数约为26。

根据本储罐的使用条件，可以选择乙烯基型不饱和聚酯树脂。 2.2 增强材料的选择

玻璃纤维价格便宜，性能优异，可以满足储罐的使用要求，增强材料选择玻璃纤维，常用的玻璃增强材料主要有无捻粗纱布、加捻布、短切毡、表面毡、玻璃纤维无捻粗纱和短切玻璃纤维。玻璃纤维按其使用要求分为:

E-玻璃纤维，无碱纤维，具有优良的、耐老化性和耐水性。

（2）C-玻璃纤维，耐酸性好，耐碱性不如无碱纤维，成本低。 （3）A-玻璃纤维，有碱纤维，含碱量大于12% （4）S-玻璃纤维，高强度玻璃纤维，拉伸强度较大。 （5）中碱玻璃纤维，耐酸性好，成本低。

（6）耐碱玻璃纤维，抗碱性较好，主要用于增强水泥制品。 （7）空心玻璃纤维，纤维中空，弹性模量较高。

无碱和中碱纤维的性能对比

种类 无碱玻璃

一般

纤维 中碱玻璃

好

纤维

差

较低

较差

低

低

性差

低的场合

好

高

较好

好

较高

润 树脂浸润

高的场合 用于强度

耐酸性

耐水性

机械强度 防老化性 电绝缘性

成本

浸润性 树脂易浸

适合条件 用于强度

储罐用来储存饱和盐水，使用温度为80℃，并且有一定的力学承载，以及经济效益

综合考虑选择无碱玻璃纤维，因为无碱玻璃纤维耐水性好，但成本较高。

3立式贮罐结构设计与强度校核

3.1.1立式贮罐设计条件

装满饱和盐水的立式贮罐，贮罐的高度为H ，半径为R ，充满饱和盐水密度ρL ≈1.2t/m3 ，贮罐顶均匀雪荷载p 雪=500N/m2，风压为W 0=350N/m2。玻璃钢材料的拉伸强度

ς=140MPa，安全系数取K=10。贮罐内装满液体介质，以地面完全接触方式安装在水平面

基础上。

3.1.2 贮罐壁厚计算

罐体沿高度分为15段，先计算罐下1m 处的壁厚

t=

（p+ρL X ）RK

ς

42

式中 p-----荷载引起的罐壁压力。

P=p 雪πR πD =50×3.14× 2 3.14×4.0=50Kg/m=5N/cm

2

t 1=

(0.5+0.0012×100)×200×10

1400

=0.886cm

依次求得

t 2=1.06cm, t 3=1.23cm, t 4=1.40cm, t 5=1.57cm , t 6=1.74cm, t 7=1.91cm, t 8=2.09cm t 9=2.26cm, t 10=2.43cm, t 11=2.60cm, t 12=2.77cm, t 13=2.94cm, t 14=3.11cm, t 15=3.20cm

由表查得贮罐对应段最小厚度均小于计算厚度，所以贮罐厚度以计算值为准。 3.1.3 贮罐顶盖的厚度设计

拱形顶盖的曲率半径取R 0=D=4.0m 。h 为罐顶高，r 为转角曲率半径，r 小则h 也小，一般取r=0.2D，此时h ≈0.2D ，贮罐顶盖受均布荷载p 雪=500N/m2，拱顶顶板的最小厚度为

t min =4R 0 E ×4.0× 1.1×104=0.34cm 式中 tmin --------顶板最小厚度，mm ； P--------作用在顶盖上的荷载，MPa ； E-------拱顶材料的弹性模量，MPa 。

按强度设计的拱顶厚度，还必须进行稳定性验算，拱顶的最小厚度不得小于5mm ，大于计算结果，故取顶盖厚度5mm 。

在外载荷的作用下，拱顶的许用临界荷载为

[p cr ]=0.1E （R ）=0.1×1.1×10×（

p 0.0005

t

2

4

0.0054.0

）=1718.8N/m2>p

2

故设计安全。

3.1.4 贮罐底板设计

罐底为平板，直接安装在平面基础上。贮罐内的液体重可直接传给混凝土基础，因此罐底所受的应力很小。但罐底和罐壁连接处受力十分复杂，一般需要加强，

根据ASTM —D3299中规定，底板厚度t b0取9.5mm ，罐壁下部t=32.0mm 时，拐角处t b =41.4mm ，L=300mm ，M=100mm 。

根据底板厚度，可计算得，底板需铺层的层数： n=m

A

f k f +ckr

=15.5≈16层 0.6×10 0.402+0.818×0.769

9.5

纤维选用0o 和90o 无碱玻璃纤维毡，其单位面积质量为600g/m2，树脂选用不饱和聚酯树脂，密度为1.3g/cm3。铺层时可采用0o 和90o 各四层交替铺层。 3.2风荷作用下贮罐强度校核

贮罐设计地区风压W 0=350Pa ，计算风压为

W=0.72×W 0=0.72×350=252Pa

贮罐沿高度方向承受的均布荷载为

P w =0.72W 0D =0.72×350×4.0=1008N/m

由风压引起的最大弯矩和剪力为

M max =P w H 2∕2=1008×14.52∕2=105966N ∙m Q max =P w H =1008×14.5=14616kg

贮罐迎风面的最大拉伸应力，应小于玻璃钢材料的许用拉伸强度；背风面的最大压缩应力；应小于玻璃钢材料的许用压缩强度。在最大风荷载下贮罐的厚度：

t 0=πR max

[ς]=3.14×200×1400cm

M

105966×100

贮罐自重为

W r =罐体重+罐底重+罐顶重≈D πHt ρm +π(2t bo ρm +[π(12h 1ρm −π(2h ρm ]

2

3

2

3

2

D

1

D

1

D

=400×3.14×1450×1×0.0018+3.14×( 1450×0.0018—3×3.14×(

1

4002

) 2

4002

) 2

×0. 95×0.0018+[×3.14×(

3

1

4012

) 2

×

×1450×0.0018]

=3278.16+215+547=4040.16kg ≈404kN

贮罐自重引起的抗风弯矩为

M r =W r 2×200=80800kN∙cm

D

风压引起贮罐的倾覆弯矩为

w M max =105966N∙m =10596.6kN ∙cm

w

M r >M max

贮罐不会因风压而倾覆。

3.3设计结果 立式贮罐设计结果如下：

管壁厚度：底部厚 32.0mm ，上端厚 8.9mm ，罐底厚 9.5mm ，罐顶厚 5mm

4 工艺设计

玻璃钢储罐的成型方法主要有手糊成型工艺、缠绕成型工艺。 4.1储罐玻璃钢构件制造——手糊成型

罐底、罐壁及罐顶玻璃钢构件采用手糊成型工艺，工艺流程如下：

A 、原材料的准备

根据储罐的性能要求选用玻璃纤维和树脂种类及牌号。本设计中选用乙烯基型不饱和聚酯树脂，增强材料选用无碱玻璃纤维表面毡，无碱玻璃纤维布，无碱玻璃纤维短切毡，玻璃纤维需用浸润剂处理。 B 、模具的准备

根据储罐的生产数量和外观质量要求，本工艺选用玻璃钢模具。底板和顶盖选用阳模成型；拱板的表面质量要求高，并且要保证法兰连接的尺寸，拱形壁板选用阴模成型。拱板选用阴模的原因，是为了保证法兰尺寸及表面精确。 C 、构件的糊制

先在模具上涂脱模剂，将加入引发剂和促进剂的不饱和聚酯树脂涂刷在磨具表面上，

内衬层采用玻璃纤维采用表面毡，保证内衬层的树脂含量在90%以上；结构层使用玻璃纤维布，保证结构层厚度和控制含胶量在70%~80%；外表层糊制时树脂中要加入紫外线吸收剂，采用中碱玻璃纤维表面毡，糊制完以后铺一层聚酯薄膜，使制件获得双面光。 4.2 整体式玻璃钢贮罐制造技术

整体式玻璃钢贮罐多为中小型，常采用手糊成型。本设计中贮罐为大型贮罐，不采用这种成型方式，故不做详细介绍。 4.3 缠绕成型储罐的制造技术

缠绕玻璃钢成型是先将储罐分成“钟罩”和封头。将这两部分组装在一起即构成储罐的完整结构，然后再进行结构层缠绕。 4.3.1 “钟罩”的成型 A 、模具的清理

缠绕成型的储罐的模具一般为钢模，对模具进行清理是为了保证其表面平滑无异物，使制得的产品内表面光滑，便于脱模。清理完后，胶黏带堵住模具上的脱模孔， B 、涂脱模剂

用脱模蜡或聚乙烯醇脱模剂在钟罩模上均匀涂层，要求厚度均匀，防止漏涂。 C 、加热树脂

使其温度达到35~40℃。

D 、按设计要求的原材料和厚度制造内衬层

封头的内衬层用喷射成型或手工成型，铺覆方法根据设计要求，可选用喷射、干法或者湿法缠绕。制作封头的加强层，采用喷射和铺玻璃纤维布。 E 、脱模

待钟罩固化完全后脱模。脱模是利用液压空气，通过模具上的脱模孔使模具和钟罩间形成一层空气垫，靠空气压力将钟罩推出。 4.3.2 第二个封头制造 A 、清理模具，堵脱模气孔； B 、涂脱模剂；

C 、按设计要求缠制内衬层和加强层。在制作过程中，始终进行手动滚压，排除气泡，待树脂固化后脱模。 4.3.3 组装

将第二个封头和钟罩对接成一个整体。对接时先将两部分对接边磨成坡口，用短切

毡片和聚酯树脂进行加强，保证组装区平整。 4.3.4 在缠绕机上进行缠绕

由于此卧式储罐具有轴向应力，要进行螺旋缠绕；缠绕工序在缠绕机上进行。缠绕成型用的原材料为乙烯基酯树脂，增强材料为中碱玻璃纤维。缠绕成型需要在全自动缠绕机上进行。

缠绕成型工艺参数控制[8]： A 、缠绕角θ=54.7° B 、无捻粗纱的烘干处理

玻璃纤维表面的含有水分，不仅影响树脂基材与玻璃纤维之间的粘结性能，同时将引起应力腐蚀，并且使微裂纹等缺陷进一步扩展，从而使制品强度和耐老化性下降。因此玻璃纤维在使用之前必须进行烘干处理。无捻粗纱在60~80℃烘干24h 。 C 、玻纤浸胶含量分布

玻纤含胶量的高低及其分布对玻璃钢制品性能影响很大，直接影响制品的重量及厚度；含胶量过高，玻璃钢制品的复合强度降低；含胶量过低，制品的纤维孔隙率增加，使制品的气密性、防老化性能及剪切强度下降，同时也影响纤维强度的发挥；此外含胶量变化大会引起应力分布不均，并在某些区域引起破坏。因此，过程必须严格控制，控制结构层含胶量在25%~30%。 D 、缠绕张力

缠绕张力大小、各纤维束间张力的均匀性，以及各缠绕层之间纤维张力的均匀性，对制品的质量影响极大。张力过小，制品的强度低，内衬层所受压缩应力较小，因而内衬在充压时的变形较大，其疲劳性能就越低。张力过大，则纤维磨损大，使纤维和制品强度下降。此外，缠绕张力对制品的密实度和含胶量会产生很大的影响。

为了使制品里的各缠绕层不会由于缠绕张力作用导致产生内松外紧的现象，采用张力递减制度，使内外层纤维的初始应力相同，容器充压后内外层纤维能同时承受荷载。 E 、纱片宽度的变化和缠绕位置

纱片间隙会成为富树脂区，结构上的薄弱环节。纱片宽度很难精确控制，这是因为它会随着缠绕张力的变化而变化，选取纱片宽度20mm 。 F 、缠绕速度

缠绕速度通常是指纱线速度，应控制在一定范围内。因为纱线速度过低，生产率低；纱线速度过大，运行不稳，因产生颠簸振动。缠绕速度控制为0.85m/s。

G 、固化制度

玻璃钢的固化主要有常温固化和加热固化两种，加热固化制度包括加热的范围，升温速度，恒温温度及保温时间。本设计采用加热固化，因为加热固化可以提高化学反应的速度，缩短固化时间，缩短生产周期，提高生产率。升温速率一般在0.5℃/min~1℃/min，本设计选用1℃/min，既可以提高生产周期，提高生产率，又不至于影响玻璃钢制品的质量。保温时间由树脂发生聚合反应所需要的时间和传热时间决定；降温冷却阶段速度要始终，防止使制品产生内应力，并且要尽量缩短生产周期。

采用分层固化制度，这样可以消弱环向应力沿筒壁的分布高峰；可以提高纤维的初始张力；减缓树脂含量沿筒壁分布不均的现象，同时利于溶剂的挥发，提高制品内外质量的均匀性。 H 、环境温度

环境温度降低，树脂的粘度升高，纤维浸渍不充分。所以环境温度要控制在一定的范围内，保证缠绕过程的浸渍效果，避免某些固化剂的低温析出。环境温度控制在15℃以上。

综上三种方法，选用缠绕成型工艺。

5 小结

玻璃钢贮罐的应用由它自身的优势，应用越来越广，但在设计贮罐时也要注意一些问题，在本产品设计时，它包括有构型设计、原材料选择、结构设计与校核以及工艺设计。在原材料选择时，要充分考虑它所贮存的介质，选择合适的基体材料和增强材料，以满足使用要求；在结构设计时，要充分考虑到它的受力情况，按标准选择合适的直径、高度等；在工艺设计时，要考虑到它的经济性、方便性和可行性等，以使产品可以制造出来。

通过此次本学期相关课程学习，学会了如何设计一个复合材料产品，能将所学知识达到学以致用的效果，相信会对将来的学习和工作打下良好的基础。