非金属设备设计课程设计指导书-玻璃钢

1、 非金属设备设计课程设计指导书四川理工学院材料科学与工程教研室 2007.9设计概论目的与意义设计（design）一词由拉丁文“制造出”（designare）转变而来，它指发展的程序，细节，趋向以及达到某种特殊的境界的过程。其涵义十分广泛，包括制造或者创造，发明新事物的思维，拟定或改造计划，安排活动等内容，即是一创新的过程。本课程设计的内容，忠实地体现出设计的本质含义。我们知道对于玻璃钢（frp）/复合材料，与其说是材料，倒不如说是结构更为确切。要把玻璃钢材料设计成需要的产品，必需经由从零次结构，一次结构，二次结构，三次结构（产品）的这一过程。这种多层次性为复合材料及其结构设计带来了巨大的灵活

2、性。复合材料和常规材料的显著区别在于它是一种非均质的，各向异性的，性能可设计的材料，因而它赋予设计者的自由度要大得多。为了获得优化的材料和结构，应该使复合材料的特点得到充分的发挥。其次，在整个设计过程中，涉及到的知识面比较广泛，如所学的工程力学，材料学，制造工艺学，复合材料学，腐蚀理论，制图等课程，以及其它有关的肉容；同时涉及各方面的计划与选择。如何在设计中体现frp的优点？怎样满足设计的要求？如何使产口结构与制造工艺最优化？原材料耗费最低？设计成本最低等？以及施工简便，周期短，经济效益显著等一系列问题，都将在设计的每一个细节中体现出来。所以设计不仅是一种期望，设想的过程，而是要将出色的设想变

3、为现实的过程，并拟定出具体的技术方案，变成一种图纸上的模型并用于实施、制造。本课程设计仅从一些简单的设计题目入手，通过一定的煅炼和实践，目的是综合所学知识来解决问题，并从中感受方法的重要性和必要性。2课程设计的基本内容21课程设计的基本内容设计的任务，是确定产品的结构，技术经济指标和主要零部件，并编制必要的技术文件。在本课程设计中，要求独立完成设计的全过程，绘出图纸（1号图纸，总装配图），并写好设计说明书。（1）设计说明书的主要内容： 封面 目录 技术特性（即设计参数） 设计过程：材料选择、选型、强度及材料性能估计、强度、刚度、稳定性设计、壁厚计算、结构设计、加强圈设计、校核、开孔、补强、附件

4、设计等。制造工艺设计：模具、施工工艺、固化制度、后加工、热处理、焊接、粘结等。材料及其它费用的估算参考资料（2）制图 工作图包括产品的总装配图和部件装配图，零件图及明细表。本次课程设计只要求画总装配图，其中要把构成产品的全部各种零件，部件，标准件，配套件等表示出来。工作图是要据设计任务书和设计说明书来设计的，这是产品制造过程的依据，必须按照绘图规范制图。图中必须注意点、线、面、标注等；选择合适的比例、尺寸、公差配合以及各种局部视图；考虑加工工艺的要求并注明技术条件等。要按照制图的先后顺序绘制，保持图面清洁。22制造施工组织设计： 成本的估算是衡量一个设计是否成功的重要标志之一。要分清材料费用及

5、成本、出售价三者之间的差别和包含的内容（详细内容可参考有关的书籍）。在本次课程设计中，可以简单估算。制造的步骤、细节的施工图，施工组织，专业配合等。基本相当于防腐蚀施工组织设计的内容。23课程设计题目（1）frp气体混合罐的设计（立式） 技术特性：工作压力：01.5/cm2 工作温度：常温 工作介质：hcl等气体 容积：5m3（立式）接 管：一次气入口，二次气入口，循环尾气入口，混合气入口，混合气出口，放空管，排污管。计算参数：sm：45g/m2，am=90% csm：450g/m2，am=70% wr：中碱400型，am=50% ef=7105kg/cm2，em=0.35105kg/cm2

6、=0.1% =1 vf=0.22 vm=0.35 =0.1% =1 f=1.5104kg/cm2 m=500kg/cm2 （2）frp卧式贮槽设计技术特性：工作压力：常压工作温度：常温工作介质：hcl液体（35%, r=1.162） 容积：10m3接 管：人孔、进料口、排气口、液位计、液封、出料口、排污口、压力计。计算参数：同（1）（3）frp立式贮槽设计技术特性：工作压力：常压工作温度：常温工作介质：hcl液体（35%, r=1.162） 容积：30m3接 管：人孔、进料口、排气口、液位计、出料口、排污口、压力计、液封。计算参数：同（1）（4）frp硫酸计量罐（卧式）设计技术特性：工作压力：

7、00.8kg/cm2 工作温度：50工作介质：60h2so4(r=1.161) 容积：2.5m3接 管：液面计、压力计、排气口、进料口、出料口、进气口、抽气口。计算参数：同（1）（5）frp硫酸计量罐（立式）设计技术特性：工作压力：00.8kg/cm2 工作温度：50工作介质：60h2so4(r=1.161) 容积：20m3接 管：液面计、压力计、排气口、进料口、出料口、进气口、抽气口。计算参数：同（1）（6）frp磷酸卧式贮罐设计技术特性：工作压力：常压工作温度：常温、工作介质：磷酸（40%） 容积：20m3 接管：入孔、液位计、进料口、出料口计算参数：同（1）（7）frp立式贮罐设计技术特

8、性：工作压力：常压工作温度：常温、工作介质：磷酸（40%） 容积：30m3 接管：入孔、液位计、进料口、出料口 计算参数：同（1）（8）frp磷酸高位计量槽设计技术特性：工作压力：常压工作温度：常温、工作介质：磷酸（40%） 容积：5m3 接管：人孔、液位计、进料口、出料口 计算参数：同（1）（9）frp盐酸高位计量槽设计技术特性：工作压力：常压工作温度：常温工作介质：hcl液体（32%） 容积：5m3接 管：进料口、排气口、液位计、出料口、压力计，水封。计算参数：同（1）（10）frp氯化氢尾气洗涤塔设计技术特性：工作压力：常压工作温度：常温工作介质：hcl液体（03%） 工艺尺寸：6001

9、2000接管及附件：进气口、排气口、液位计、进液口、排液口、排污口、压力计，筛板6个。计算参数：同（1）（11）frp氯化铵干燥尾气洗涤塔设计技术特性：工作压力：常压工作温度：50工作介质：氯化铵液体（15%）、空气 工艺尺寸：200010000接管及附件：进气口、排气口、液位计、进液口、排液口、排污口、压力计，筛板6个。计算参数：同（1）（12）frp水气分离器设计技术特性：工作压力：常压工作温度：50工作介质：盐酸液体（15%） 工艺尺寸：20006000接管及附件：进气口、排气口、液位计、进液口、排液口、排污口、压力计，捕液器4个。计算参数：同（1）（13）frp盐酸转运槽车设计技术特性

10、：工作压力：常压 工作温度：40 工作介质：hcl（5%, r=1.162） 容积：5m3 接管：人孔、进料口、出料口、液位计 计算参数：同（1）（14）frp硫酸转运槽车设计技术特性：工作压力：常压 工作温度：40 工作介质：h2so4（20%） 容积：3.5m3 接管：人孔、进料口、出料口、液位计 计算参数：同（1）（15）frp磷酸转运槽车设计技术特性：工作压力：常压 工作温度：40 工作介质：磷酸（30%） 容积：3.0m3 接管：人孔、进料口、出料口、液位计 计算参数：同（1）（16）frp hf尾气洗涤塔设计技术特性：工作压力：常压工作温度：常温工作介质：hf液体（15%） 工艺尺

11、寸：40012000 接管及附件：进气口、排气口、液位计、进液口、排液口、排污口、压力计，筛板6个。计算参数：同（1）（17）r-pvc卧式贮槽设计技术特性：工作压力：常压工作温度：50.c 工作介质：hcl（35%, r=1.162） 容积：20m3 接管：液面计、压力计、排气口、进料口、出料口、人孔计算参数：（20）500kg/cm2 (自取)3玻璃钢课程设计的相关知识3.1玻璃钢力学基础复合材料的强度受许多因素的影响，这些因素包括各组分的机械不相容性、基体和增强材料的弹性塑性变形行为差异以及它们之间结合键的强度、组分材料的体积分数和外加载荷的方向等。由于这些因素的影响，复合材料的变形行为

12、很复杂，许多问题尚未认识清楚。最简单的情况是纤维沿同一方向排布的复合材料层板(单向板)，对于纤维排布方向不同的复合层合板的力学性能，可以根据单向板的性能用层板理论求得。因此，单向板的性能是研究复合层板性能的基础。3.1.1连续纤维增强单向板的强化原理及性能 在轴向载荷作用下，假设纤维增强单向板其纤维的强度是均匀的，那么纤维和基体所承受的载荷以及复合材料的强度在很大程度上取决于纤维的长度。对于连续长纤维增强的复合材料，在受到沿纤维方向的拉应力作用时，假定纤维与基体粘结牢固，界面完整，它们之间没有相对滑动，纤维和基体不发生塑性变形，并且忽略了纤维和基体泊松比不同引起的附加应力，那么整个材料的纵向应

13、变可以近似认为是均匀分布的，即复合材料、纤维和基体具有相同的应变 1式中，l、f和m分别表示复合材料、纤维和基体的应变。由于外加载荷由纤维和基体共同承担，则应有2式中，l、f、m表复合材料、纤维和基体的应力；al、af和am分别代表复合材料、纤维和基体的横截面积。由上式得复合材料的纵向弹性模量el和泊松比lt与纤维和基体的弹性模量ef、em。及泊松比f、m的关系为3、4式中，vf为复合材料中纤维的体积分数，上述方程称为混合定律，尽管该方程忽略了纤维和基体不同泊松收缩所引起的附加应力影响的条件下导出，然而试验表明，这种忽略所引起的误差很小。如果纤维继续弹性形变，而基体发生了塑性变形，则下式给出5

14、式中，（d/d）表示基体应力应变曲线在给定应变处的斜率。对于树脂基体和应变速率很低的基体材料，式中的第二项可以忽略不计，这样el可近似地由下式计算 6在弹性变形阶段，由式1和3得7玻璃纤维、碳纤维和kevlar49纤维在断裂前可近似地看作是线弹性的，但是树脂基体应力应变行为通常表现为非线弹性，断裂前可能发生很大的粘弹性变形，因此在平行于纤维方向的拉伸应力作用下，由式2以及vf+vm1，vfaf/a，vmam/a得 8复合材料单向板在拉伸载荷作用下的行为与纤维和基体的相对断裂应变有关。假设树脂作为基体材料制成单向板后，拉伸断裂应变不发生变化，则需要考虑两种情况，fm和mf，m和f分别为纤维和基体

15、的拉伸断裂应变。当fm时，应力应变曲线见图1(a)。随vf的变化，可能出现两种失效机制。当vf较小时，单向板的纵向拉伸强度*l主要取决于基体强度m。在外载荷作用下，基体首先断裂，然后全部载荷由少数纤维承担，见图1(b)，从而引起纤维断裂，由此得 9*f为相应于基体断裂应变m。时纤维承受的应力。当vf很大时，efem。基体只承担整个外载荷的一小部分。当基体断裂时，传递给纤维的载荷不足以引起断裂，假如基体能够继续发挥传递载荷的作用，单向板承担的载荷能够继续增加，直至纤维断裂。在这种情况下，单向板的强度主要取决于纤维的强度和纤维体积分数，即101断裂强度随vf的变化，见图1(b)。图中两条直线分别代

16、表了方程式9和方程式10，两条直线交点对应的纤维体积分数vf可由式9和式10解得 11可以看出，当纤维含量超过vf时，纤维有增强效果，纤维含量小于vf时，纤维基本上失去增强效果。在玻璃纤维聚酯树脂单向板中，m=0.02,f0.25(fm)。试验测得m72mpa， f2100mpa，f*1520mpa，代入方程式11得vf0.11。实际使用的大多数单向板的vf为0.40.7。当mf时，随着vf的变化，也将会发生两种失效机制，如图2所示。在vf小的单向板中，当纤维断裂时，原来由纤维承担的这部分载荷将由基体承担，由于vf较低，这部分额外载荷较小，所以它施加结基体时并不足以引起基体断裂。然而断裂纤维的

17、末端形成了一些微孔，这些孔的存在使基体的横截面积减小，导致了基体承载能力成比例地降低，这时单向板的纵向拉伸强度主要由基体决定，由此得 12随着vf的增大，由于纤维的断裂而额外施加在基体上的载荷增大，因而终将引起基体的断裂，在这种情况下，单向板的纵向拉仲强度为 13图2压缩强度单向板受到压缩时破环规律与拉伸有很大的不同。纤维增强树脂单向板的压缩失效对纤维的体积分数和树脂性能特别敏感。复合材料纵向受压破坏与纤维的弯折有关，嵌埋在基体中的纤维其弯折受周围基体的限制，因此纵向抗压强度取决于基体的弹性变形行为和纤维的含量。对于纤维增强的单向板，常见的压缩破坏方式有两种，当纤维体积分数较小时，以反相弯折方

18、式失效。抗压强度由下式计算14对于商品复合材料，vf较大，压缩时以同相弯折方式失效，l-由下式给出： 15式（14）和式（15）定性地描述了影响l-的因素，当用此定量计算单向板压缩强度时，则与试验结果有较大偏差，理论计算值高于试验值。这可能是因为纤维在基体中分布不均匀，某些局部区域纤维含量偏低使弯折抗力下降，压缩破坏容易在这些部位出现。另外，制造过程中产生的气孔，纤维取向度差，纤维与基体脱粘以及基体粘弹性变形引起的剪切模量下降，导致变形，引起剪切模量下降等因素都能导致l-的降低。图3 单向横纵向压缩失效方式示意图（a）反相弯折 （b）同相弯折在压缩破坏单向板的断口上，可以观察到纵向的开裂和纤维

19、的倾斜，倾斜的程度取决于纤维和基体界面结合键的强度，如图3。如果纤维与基体结合牢固，则基体通过剪切发生断裂。弯曲在纤维中产生了拉应力和压应力，对脆性的玻璃纤维和碳纤维，在拉伸一侧首先发生脆性断裂，然后在压缩区发生剪切破坏，对于kevlar49纤维增强的树脂，由于纤维在断裂前发生了屈服因而导致纤维的扭折但很少看到纤维的断裂。除了弯折破环外，在压缩载荷作用下，复合材料也可能发生剪切破坏。纵向压缩载荷在与应力轴成45的平面上产生的最大切用力*max为式中l-*为压缩应力。如果复合材料的剪切强度低于其弯折强度，则将发生剪切破坏l-为式中f和m分别为纤维和基体的剪切强度。3.1.2复合材料结构连接复合材

20、料虽然具有直接制成整体结构的特点，但是在实际结构中常常需要各种形式的连接。在连接区往往伴随着应力集中。纤维增强复合材料在增强方向的强度和刚度较大，而层间剪切强度和垂直于纤维增强方向的拉伸强度很弱，因而连接部位的局部破坏概率增大。连接设计在复合材料结构设计中是很重要的。图4 搭接形式示意图接头设计既要考虑连接的方式，同时也要考虑被连接材料的特性。按照连接方式，可分为单面搭接、双面搭接、斜面搭接以及阶梯形搭接，如图4。接头形式很重要，因为有机胶粘剂的最佳定用效果，直接与接头形式有关。双搭接受剪接头型式，而单面搭接受剪接头是常用的接头型式。在单搭接接头中，由两个等厚度的单接触面被粘物代替对应的双搭接

21、接头中两个同样构件与双倍厚度的中间构件。这两种接头型式更多地用于试验与测试中，而在实际工程结构中显示不出重要作用。然而，这些接头型式确实模拟了结构的特性，不计入载货偏心影响的单面搭接接头的内力计算见图5。两搭接板厚度分别为t1、t2,，沿x方向的弹性模量分别为el、e2；胶层厚度为h(一般以0.1-0.15mm为好)，胶层剪切模量为g；搭接长度为l；搭接板单位宽度受拉力为p。图5 单搭接接头的内应力假设：(1)忽略载货偏心引起的弯矩影响；(2)胶层仅受剪切作用；(3)胶层内剪应力与两搭接板的相对位移成正比。两搭接板不同：n1搭接板1的内力；n2搭接板2的内力；胶层剪应力两搭接板相同层合板接头设

22、计一般原则：层合板结构选用闭合板接头连接主要考虑接头与结构件之间铺层连续，结构与连接件一体成形，既可减少连接的过胶环节，又可实现接头集中载荷顺利扩散的目的，结构连接可靠，连接强度/重量比高，明显减重。层合板接头设计，除遵循层合件设计的一般原则外，补充以下几点原则要求： 接头连接部位不允许发生屈曲； 采用限制许用应变/许用应力设计，目前，层合板设计许用应变控制在0.30.4%范围内；孔边挤压应力控制在300350mpa；接头耳片剪应力小于等于250mpa； 重要接头考虑附加安全系数1.15或较大的安全裕度；装配需要，接头耳片表面应有可供装配磨削的容差层(一般12层玻璃布，供装配磨削加工)。图5

23、搭接形式示意图3.1.3加筋板设计加筋板设计的一般原则复合材料加筋板设计要求与金属加筋板设计要求基本相同。加筋板设计的一般原则： (1)在设计载荷下，应变水平不得超过设计许用应变。(2)稳定性要求：虽然结构试验已证实，复合材料加筋板有屈曲(失稳)或后屈曲承载能力，但其对疲劳的影响尚不清楚，所以，加筋扳是否允许出现屈曲，是一个复杂问题。因此，不同部件、不同部位，采用不同的屈曲要求，通常要满足在使用裁荷下不得屈曲、在设计载荷下允许后屈曲但不能发生破坏的要求。而允许在使用载荷下屈曲，只限于薄板(厚度1mm左右)。(3)加筋条与层合板之间的刚度、泊松比相匹配，以使固化内应力和翘曲变形减至最小，利于整体

24、共固化成形。(4)加筋条与层合板结合处、加筋条端部等细节设计应避免应力集中，以防止发生脱胶、分层等破坏。根据加筋板设计原则，知加筋板设计要点：合理分配层合板和加筋条承载比例；选择合适的加筋条剖面形状，且剖面的弯曲刚度足够，满足刚度要求。层合板与加筋条刚度要匹配(包括泊松比匹配)；调节加筋条间距，满足加筋板总体稳定性要求；工艺可行。加筋条剖面形状选择见图6和图7。a、t型；b、对称球头型；c、j型；d、工字型；e、帽型；f、泡型图6 加筋条剖面几何形状a、推荐使用对称筋条；b、慎重使用；c、不能使用图7 加筋条剖面形状选择加筋条凸缘厚度与结合处层合板厚度式中：tst加筋条凸缘厚度；tp加筋条与层

25、合板结合处层合板厚度加筋条端头设计加筋条端头处，由于刚度突变，易发生与蒙皮股胶或分层，并且沿加筋条长度方向扩展，引起破坏。解决的措施：加筋条端头处增加止裂紧固件，加筋条的缘条端头过渡区加长等。图8 工字型加筋条内腔填充图9 角型加筋条与层合板结合的细节示意加筋板抗冲击设计考虑加筋板抗冲击设计目前主要采用外表层增加一层织物或增加45层的办法。3.1.4层合件开口设计由于设计上的要求，如工艺施工、检查维修、设备安装、管道通过等，层合件上开口(开孔)通常是不可避免的、与金属材料不同，复合材料开口(开孔)不仅要切断纤维引起层合件刚度和强度下降，而且孔边应力集中和边缘效应会引发孔边局部提前破坏。因此，层

26、合件开口部位般要进行补强设汁；开口按几何尺寸，大致可分成小开口、开口、大开口三种开口类型。三者受力特点不同，补强要求亦不相同。小开口 开口孔直径2030mm，如管线通过孔、窥视镜检查孔等。孔径/板宽比为0.2左右，一般情况下，小开口不要求补强。开口 开口孔直径60120mm，孔径/板宽比为0.5左右。开口区应力，一般通过含孔板应力分析确定，采用开口补强措施大多可恢复到6070的原有强度。大开口 开口孔直径150mm以上，开口区应力需要通过大开口参与受力分析确定。开口参与受力区长度应足以满足载荷传递要求。大开口应进行专门的开口参与区补强设计。开口补强措施多种多样，有补片补强、下陷口框补强，孔边包

27、边、孔边软化等，应视具体结构要求而定。3.2玻璃钢设备工艺设计手糊成型是聚合物基复合材料生产中最早使用和最简单的一种工艺方法。用于成型波形瓦、浴盆、冷却塔、活动房、卫生间、贮槽、贮罐、风机叶片、各类渔船和游艇、微型汽车和客车完体、大型雷达天线罩及天文台屋顶罩、设备防护罩、雕像、舞台道具和飞机蒙皮机翼、火箭外壳、防热底板等大中型零件。现在世界各国的聚合物基复合材料成型工艺中手糊工艺仍占相当重的比例。手糊工艺的最大特色是以手工操作为主，适于多品种、小批量生产，且不受制品尺寸和形状的限制。手糊成型操作技术简单，工人经短期培训即可掌握。但这种成型方法生产效率低，劳动条件差且劳动强度大；制品质量不易控制

28、，性能稳定性差、制品强度较其他方法低。手糊工艺生产需要根据产品的要求合适选用原材料，进行正确的结构设计和工艺设计，同时还要注意对各工序的质量检测、监控，才能保证制品的质量。胶液准备增强材料准备增强材料浸溃模具准备涂脱模剂手糊烘干胶布固化脱模修整质量检验干 法图10手糊成型干法frp施工过程图压实，排除气泡干燥不沾手除油、烘干表面洗净、模芯准备涂复脱模剂涂刷胶料，边缠绕玻璃布反复缠绕数层至所需厚度初步固化处理脱模热处理涂刷面漆成品用毛刷或棍子图10手糊成型湿法frp施工过程图手糊成型的工艺过程是：先在模具上涂一层脱模剂，然后将加有固化剂的树脂混合料刷涂在模具上，再在胶层上铺放按制品尺寸裁剪的增强

29、材料，用刮刀、毛刷或压辊迫使树脂胶液均匀地浸入织物，并排除气泡。待增强材料被树脂胶液完全浸透之后，再铺下一层。反复上述过程直到所需层数，然后进行固化。待制品固化后脱模，并打磨毛刺飞边，补涂表面缺胶部位，对制品外形进行最后检验。手糊成型的工艺流程如图10所示。3.2.1 生产准备 一、场地 手糊法成型玻璃钢虽对生产条件要求较简单，但也需有合适的工作场地。首先，工作场地要求较清洁、干燥、通风良好，温度尽可能保持在15以上，以免因温度太低影响操作及制作质量。树脂及配料应贮存在阴凉通风处，防止阳光照晒引起树脂及辅助材料变质。其次，贮存和裁剪织物或毡的场地要保持干燥，以免潮湿影响制品的固化。固化后修整或

30、切割加工的场所要设置抽风除尘或喷水装置，防止粉尘飞扬影响操作者的健康。手糊成型工作场地的大小，要根据产品大小和日产量决定，场地要求清洁、干燥、通风良好，空气温度应保持在1535之间，后加工整修段，要设有抽风除尘和喷水装置。 二、模具模具准备工作包括清理、组装及涂脱模剂等。模具是手糊成型的必要工艺装备，它对于保证制品质量和降低成本关系极大。可用于制造手糊用玻璃钢模具的材料种类很多，常用的有木材、石膏、水泥、玻璃钢、石蜡和金属等，可根据产品批量和尺寸形状合理选材。表1为不同材料的模具比较。模具要有足够的强度和刚度，在搬运和使用过程中不易变形，以保证制品的型面精度。对加压固化制品的模具更需有足够高的

31、强度和刚度。对加热固化制品的模具要保证在固化温度下不发生变形式翘曲。手糊成型制品模具结构形式有单模(阳模、阴模)和对模两类，见图11所示。制品表面的质量靠模具工作表面的光洁度保证。因此，要根据制品表面质量要求来选择模具结构。对外表面要求光滑的制品可选用阴模成型，但凹陷较深的制品用阴模成型操作不便；内表面要求光滑的制品可选用阳模成型，阳模凸起操作较为方便，制品质量易控制，且操作时通风方便，因此手糊成型多使用阳模。对模由阳模和阴模两部分组成，通过定位销来限定上下模具的相对位置，周边带有溢料飞边的陷槽。如果制品的外型、厚度和表面都要求较严，可选用对模；但对模在成型中要开启闭合和搬移，操作强度大。用木

32、材制造模具应选用变形比较小，无节疤，经过干燥的优质木材，如红松。木模要经过刮腻子，刷底漆，再经两次喷漆，喷漆干燥后用400#水砂纸磨平表面。喷漆后可防止树脂向模具内部渗透，同时也防止木材内部的水份挥发而影响制品固化和表面质量。木模的工作面最后用去污蜡擦光，再用汽车上光蜡抛光。经过这样处理的木模可保证制件获得平整光亮的表面质量。用石膏制造模具可掺入部分水泥提高强度，外层用乱麻丝加强，必要时，还可以用木条、钢材等作为石膏模具的加强筋。模具成型后需经低温干燥除去游离水分，再用腻子填充工作面的孔隙，喷漆干燥后再用去污蜡抛光到有光泽方能使用。用石蜡制作模具需在预制的模上翻制。石蜡模可用于成型形状复杂和脱

33、模困难的小型制品和难以从制品脱出的芯模。它属于一次性使用的模具。石蜡的成本低，可回收反复利用。但由于石蜡熔点低、易变形，故制品精度不高。玻璃钢是制作手糊模具的一种较好材料。玻璃钢模具表面要做胶衣层，胶衣层厚度控制在0.51.0mm(胶液用量控制在5001000g/左右)。模具表面需用400，600和800水砂纸打磨抛光以获得有光泽的工作面。表1 不同材料模具比较模具材料制造周期制造工艺模具重量使用次数模具成本适用范围木材短简单轻中中小量、结构复杂的中小型件石膏短简单重15低结构简单的大型产品、一次使用的复杂产品。石蜡短简单轻1低复杂的小量产品、溶化脱模，表面不易涂漆水泥中简单重中低表面粗糙、用

34、于简单产品玻璃钢中一般中较多较高数量多、表面要求高的结构复杂的中小型产品。泡沫塑料短简单轻1较高不脱模的内心金属长复杂重100高表面光洁、质量要求高的小型大批产品可溶性盐或低熔点金属短较易中1较低少量脱模困难的小型产品图11 模具结构示意图 三、脱模剂为防止固化后的制品粘着模具和便于脱模，应预先在模具工作面上涂敷一层脱模剂。凡是与树脂粘接力小的非极性或极性微弱的物质，都可以作为脱模剂。脱模剂应符合下列要求：使用方便，成膜时间短；不腐蚀模具，不与树脂发生反应和不影响制品着色；成膜均匀、光滑，对树脂的粘附力小；毒性小，易清除，易配制；价格便宜，来源广泛。选择脱模剂时还应考虑到模具材料、模具表面质量

35、和所使用树脂的品种。粘附力较强的一类树脂(如环氧树脂)可以混合使用几种脱模剂。 脱模剂的种类很多，大致可以分为三类： 1.薄膜类：如玻璃纸、聚酯薄膜、聚乙烯薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜(只适用于环氧树脂成型)。使用时用油膏将薄膜粘贴在模具表面，粘贴时应铺平，防止薄膜起皱和悬空。由于薄膜变形小，只适用于模具型面不复杂的情况。 2.油膏类，如石蜡、地板蜡、黄干油、凡士林、汽车蜡、硅脂等。这类脱模剂使用方便，脱模效果好，但易玷污制品表面，并给制品表面涂漆造成困难，一般只适用于室温固化(80)的情况。 3.溶液类：如聚乙烯醇水溶液、甲基硅油或硅橡胶甲苯溶液(只适用于环氧树脂成型)。聚乙烯醇水溶液是目

36、前手糊玻璃钢中广泛使用的一种脱模剂，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：将聚乙烯醇缓馒地加入到25的水中，同时搅拌。浸泡23小时，使聚乙烯醇完全溶胀，然后逐渐加热。加热时见有泡沫产生即应停止加热，待泡沫自行消失后再继续加热，反复三次基本上可清除泡沫。待温度升到96100左右，保温一小时。经过滤后，边搅拌边添加乙醇即可。聚乙烯解脱模剂涂在模具工作面后，必须待其完全干燥才能开始手糊，以免残存的水份对树脂的固化产生不良影响。它的使用温度是100150。树脂胶液配制 配制时，要注意两个问题：防止胶液中混入气泡；配胶量不能过多，每次配量

37、要保证在树脂凝胶前用完。糊制按下列程序进行：1.在模具表面涂敷脱模剂；2.涂胶衣层 使用聚酯树脂手糊成型时，制品的表面一般均有胶衣层。胶衣层的作用是补偿胶液固化时的收缩，防止显露纤维或布纹以获得表面光滑的制品。胶衣层可以使用专用胶衣树脂。也可用表面毡增强胶衣层。胶衣的质量对制品的耐气候性，耐水性和耐化学性影响较大。胶衣层厚度一段控制在0.250.4mm(即用胶300500g/左右)。当胶衣层开始凝胶时应立即进行复合材料的糊制。3.增强材料准备 增强材料的种类和规格按设计要求选择。4.糊制与固化 手工铺层糊制分湿法和干法两种：干法铺层 用预浸布为原料，先将预浸料（布）按样板裁剪成原料，铺层时加热

38、软化，然后再一层一层地紧贴在模具上，并注意排除层间气泡，使密实。此法多用于热压罐和袋压成型。湿法铺层 直接在模具上将增强材料浸胶，一层一层地紧贴在模具上，排除气泡使之密实。一般手糊工艺多用此法铺层。湿法铺层又分为胶衣层糊制和结构层糊制。手糊工具对保证产品质量影响很大。有羊毛辊、猪鬃辊、螺旋辊及电锯、电钻、打磨抛光机等。固化 制品固化分硬化和熟化两个阶段：从凝胶到硬化一般要24h，此时固化度达50%70%（巴柯尔硬度为15），可以脱模，脱后在自然环境条件下固化12周才能使制品具有力学强度，称熟化，其固化度达85%以上。加热可促进熟化过程，对聚酯玻璃钢，80加热3h，对环氧玻璃钢，后固化温度可控制

39、在150以内。加热固化方法很多，中小型制品可在固化炉内加热固化，大型制品可采用模内加热或红外线加热。 5.脱模和修整 脱模要保证制品不受损伤。脱模方法有如下几种：顶出脱模，在模具上预埋顶出装置，脱模时转动螺杆，将制品顶出。压力脱模，模具上留有压缩空气或水入口，脱模时将压缩空气或水（0.2mpa）压入模具和制品之间，同时用木锤和橡胶锤敲打，使制品和模具分离。大型制品（如船）脱模，可借助千斤顶、吊车和硬木楔等工具。复杂制品可采用手工脱模方法，即先在模具上糊制二、三层玻璃钢，待其固化后从模具上剥离，然后再放在模具上继续糊制到设计厚度，固化后很容易从模具上脱下来。修整：修整分两种，一种是尺寸修整，另一

40、种缺陷修补。尺寸修整 成型后的制品，按设计尺寸切去超出多余部分；缺陷修补 包括穿孔修补，气泡、裂缝修补，破孔补强等。其他玻璃钢成形工艺见图1216图12 玻璃钢缠绕成形示意图图13 玻璃钢缠绕成形示意图图14 玻璃钢层叠增强板成形示意图1、连续纤维束；2、表面处理；3、树脂；4、隔离纸图15 玻璃钢预浸带生产流程图1、隔离膜滚筒；2、糊状树脂；3、联系纤维；4、切碎机；5压实带图16 短纤维增强玻璃钢成形示意图典型手糊成形的玻璃钢制品的厚度一般为210mm，有些特殊制品（如大的船体）的厚度可大于10mm.，其基本结构见图17。糊制过程为：先在模具上涂刷一层脱模剂，再刷一层胶衣层，待胶衣层凝胶后

41、（即发软而不粘手），立即在其上刷一层树脂，然后铺一层玻璃布，并用手动压辊沿着布的径向，顺一个方向从中间向两边用力滚动，以排除其中的气泡，使玻璃布贴合紧密，含胶量均匀。如此往复，直到达到设计的厚度。每次糊制厚度应小于7mm，否则，厚度太厚，固化发热量大，使制品内应力大而引起变形和分层。糊制工作虽然简单，但要求操作者做到快速、准确、含胶量均匀、无气泡及表面平整等。糊制的环境温度应保持在15以上，最好在2030范围内，糊制完成后一般在常温下固化24h后才能脱模，脱模后制品的强度在一定时间内会随时间的延长而增加，提高温度可以使强度达到最高值的时间缩短。因此，为了缩短玻璃钢制品的生产周期，常常在脱模后采

42、取加热的后处理措施，通常环氧玻璃钢后处理加热温度控制在150以下，不饱和聚酯玻璃钢后处理加热温度控制在120以下。图17 玻璃钢耐蚀设备的基本结构(1)耐蚀层：由表层和中间层组成，表层是接触环境介质的最内层，是玻璃面毡、合成纤维、石棉等增强的富树脂层。(2)中间层：由短切玻璃纤维毡增强，厚约为2.0mm左右，该层能使介质浸透表层后不浸透外层。(3)外层(增强层)：适用了使用条件下的耐蚀结构层，必须要满足强度的要求。如果手糊制品不能达到要求可以增加手糊层的厚度，使制品的整体强度达到要求。(4)最外层；为使玻璃纤维增强材料不暴露在腐蚀环境下，它的组成与面层相同。在腐蚀不很明显的环境下，可以省去耐蚀

43、最外层，直接由中间层起始。在耐蚀玻璃钢设备的设计时，特别要注意耐蚀层的刚性对整个耐蚀设备的影响，当玻璃钢的抗张或弯曲应变超过树脂时，玻璃钢就要产生裂纹。一旦有裂纹产生，其耐蚀性就会降低。因此，在耐蚀层作用的应力，必须控制在不使树脂产生裂纹的范围内。一般讲，应变达0.20.4%时，就会产生裂纹。 图18 玻璃钢水气分离器、管道、烟囱设备图4.frp设备设计概要4.1设计程序frp虽然具有低值、高强、耐腐蚀等令人注目的优点，加工容易、产品的材料及结构特性可任意改变。但从设计观点看存在一些问题：由于原材料的多样性，不易得到稳定的、标准的物理性能，且因材料性能分散性较大，可靠性较低。影响因素多，有关性

44、能的设计资料不可能十分完备。frp是各向异性材料，设计和制造各种产品时，在设计思想，计算方法、设计准则和试验方法等方面，都存在很大困难。所以，没有建立起完整的设计体系，也不易充分理解。确定要求的规格和性能确定结构的大概形状选定材料确定尺寸试制有无问题工 艺 性原材料及其性能结构计算实验最终结构件载货状态无有图19 结构设计程序通常，将frp产品结构设计全过程归纳为三个主要内容：（1）性能或功设计；（2）结构（强度、刚度）设计；（3）工艺设计。这是三个截然不能分开、相互关联的有机整体。性能设计要以产品使用技术条件为主要依据，通过选材、结构设计、工艺设计各阶段的工作，使产品最终符合需要的技术条件，

45、以能发挥frp的特性。结构设计是根据产品所受的载荷、介质、使用环境，结合工艺和性能，设计出不使材料和产品产生破坏或有害变形的结构尺寸，确保安全使用，同时要求材料最有效地利用，以降低消耗，减轻成本。工艺设计是针对该产品的特点，性能要求以及数量，选择合理的成型工艺方法，使该产品不仅成型方便、合理、质量稳定可靠，而且成本低廉。4.2设计方法与设计标准frp结构设计的特点是材料设计和结构设计必须同时进行，是因为材料和结构都是在同一工艺过程中形成的。这与传统的金属材料的结构设计差别极大。由于实际的frp结构内在的复杂性，又由于其必竟还是一种新兴材料，对设计理论的研究还处于不断发展、深入和完善阶段。常用的

46、设计方法有：（1）等代设计：这是一个比较古老的方法，即在结构物形状、载荷、使用条件都不变的条件下，用frp去代替其它材料（金属材料），其设计计算方法亦是沿用原设计方法，稍考虑一些frp的特点；有时只作等强度或等刚度换算。此方法是按强度条件设计的。（2）限定应变设计：这是一种比较新的设计方法，适用于耐腐蚀的frp设备。它是根据frp的破坏及腐蚀特性而提出的。能保证设备有一完整无损的耐腐蚀内层；设计程序更为简单，计量小，结果更准确。因为此方法所采用材料特性参数是弹性模量，而不需使用极限强度。一般来说，frp的模量的离散度要比强度的离散度小。（3）网络分析法：对纤维缠绕内压容器的设计就属此例。（4）

47、复合材料力学设计：此方法完全从复合材料的各向异性和非均质性概念来研究复合材料特性，建立结构计算理论。要想使frp结构在各种复杂状态及要求下既能安全使用又浪费材料，必须有一套切实可行的设计标准，供设计人员参照执行。国外最早的frp贮罐、容器方面的标准是美国商业部1969年颁布的产品标准ps15-69：手糊法成型增强聚脂耐化学腐蚀设备。其内容包括：力学特性、异管壁厚、兰法系列、管子及附件系列、内压管及法兰系列（1.75-10.5kg/cm2，共五级），敞口立式容器最小壳体厚度系列。该标准采用的设计方法是强度条件准则，影响甚广，但设计方法落后，料参数落后，材料浪费严重。1974年又颁布了astm d

48、3299-74纤维缠绕玻璃纤维增强聚脂耐化学腐蚀容器标准。该标准是关于常压敞口、直立、直接放置地面的椭圆形容器，设备最高温度通常为82（180f）。astm d3299-74标准的最大特点是壁厚设计方法扬弃了强度设计方法，而控制应变在0.1%条件下进行设计。英国标准bs4994-1973增强塑料容器是目前较完善的一个标准。这个标准强调的是设计方法，而不是产品条例。设计方法的特点是强度条件准则和限定应变准则并用，一般是按强度准则进行设计，而按限定应变准则进行校核。设计的中心是材料设计，即壁厚求出来时，容器的铺层设计也完成了，材料本身的特性也就确定了。bs4994-1973是关于聚脂和环氧树脂的手

49、糊增强贮罐设计、材料、结构、检验和实验规范，内容很全面，适用于带热塑性内衬或不带热塑性内衬两种情况。国内于1984年由化工部设备设计技术中心站编制了化工设计标准手糊法玻璃钢设备设计技术条件（cd130a19-85）。该技术条件适用于手糊成型的耐化学腐蚀静止frp化工设备（包括钢壳内衬frp设备）。该条件不涉及设计方法，只规定了有关原材料、施工、检验及验收方面的技术要求，在设计、制作frp设备时可参考。安全系数k的确定：安全系数是一个经验性的系数，它包括许多影响因素，而这些因素是强度计算的基本公式中所没有考虑的，取决于各个分系数：k=k1*k2*kmk1：与材料极限强度有关的安全系数：2.7-3

50、，一般取3；k2：成型工艺方法系数：手糊成型：1.6；机械操作：1.4；喷射成型：3；缠绕成型：1.5；k3：温度影响系数：取决于基体的hdt和设计的工作温度（100以下），取值在1-1.25间，由图20查得；k4：树脂固化程度影响系数：取值范围1.1-1.5；k5：材料长期特性影响系数：结有塑性内衬的容器：取1.2；对无衬性容器可取1.2-2.0；k6：交变载荷影响系数：根据工作特点可由图21确定；k7：动载荷影响系数：按设计情况酌情加入。图20 温度影响系数图21交变载荷影响系数4.3容器和贮罐设计4.3.1原材料的特性、规格原材料的选择应根据设计条件、施工条件及经济性而定。部分原材料的特性、规格分别列于下述各表中。表2 玻璃纤维毡要求项目指标单位重量300900克/米2重量变化率20宽度90100厘米单纤维直径1013微米纤维短切长度50.2毫米粘结剂类型聚酯型、环氧型玻璃成分中碱、无碱每卷重量宽度 90厘米：30公斤/卷宽度 180厘米：60公斤/卷表3 液体乙烯基酯树脂的质量要求项目 允许范围 外观 应无异状 粘度（25，pas） 指定值 30% 固体含量（%） 3.0 凝胶时间（25，min） 30% 酸度（koh mg/g） 4.0 储存期 阴凉避光处，25以下不少于90d 注：一种牌号树脂