复合材料课程设计-玻璃钢圆筒形水箱设计

1、前 言玻璃钢材料具有轻质高强的特点，用其制造的产品不仅性能突出，而且价格也具有竞争优势。玻璃钢水箱除了以上特点外，还具有制造方便、耐腐蚀性好、卫生、强度高、抗震性好等特点。玻璃钢水箱按造型可分为球形、圆筒形和方形三种；按结构构造可分为整体式、组装整体式和组合式三种；在制造工艺方面，传统的成型工艺有手糊成型和SMC模压成型两种，但是随着复合材料行业的快速发展，其成型工艺也在不断地开发和改良，对于较大容积的玻璃钢水箱也可以采用纤维缠绕成型（和玻璃钢储罐的成型工艺相同），而且用该成型工艺生产的产品的强度比用传统的手糊成型和SMC模压成型的强度要高，使用寿命较长。玻璃钢水箱适用于建筑行业，化学化工行业

2、，汽车及铁路交通运输行业，船艇及水上运输行业，电气工业及通讯工程等领域。树脂基复合材料具有性能的各向异性；非均质性；纤维或树脂体积含量不同，材料的物理性能差异，性能多呈分散性；材料的可设计性。正是由于复合材料具有以上特点，才使得复合材料的设计显得尤为重要，不同的设计将造就产品不同的性能。本次设计所采用的为玻璃钢圆筒形水箱，体积为，介质为生活用水，安装位置为建筑屋顶上，离地面高度为,而且露天放置，采用法兰连接，手糊工艺制造。玻璃钢水箱的设计主要有造型设计：包括外观造型设计等内容；性能设计：包括基体材料、增强材料以及助剂的选择；结构设计：包括玻璃钢水箱的载荷计算、增强材料的铺层等内容；零部件设计：

3、包括水箱的零部件设计，定位尺寸等；连接包括连接的方法以及补强等内容；以及产品检验。通过以上几个步骤，完成玻璃钢水箱的设计内容。1. 玻璃钢水箱造型设计水箱的形状尺寸及参数圆筒形水箱通常设计成三个部件。从使用和受力角度考虑，箱底一般设计成平底。考虑到上人和雪荷载以及便于成型，箱顶设计成圆锥形顶盖，并留有人孔。水箱筒体设计成圆筒形，为了美观和增强筒体刚度，有时在沿筒体高度方向有加强肋；加强肋一般都设计在水箱筒体的外面1。水箱各部件的连接，主要靠各部件上的法兰翻边，采用胶接与用螺栓固定，并注意密封2。图为玻璃钢水箱结构模型R水箱半径；H水箱高度；h水位高度；t箱体厚度；tb箱底厚度；tr箱顶厚度；1

4、箱顶锥壳半顶角；r1人孔半径图1.2 玻璃钢水箱的整体结构图箱顶部：箱顶锥壳半顶角，人孔半径，排气孔半径箱体：容积：，直径：，总高：，箱体高度，箱顶高度为壁厚：，FRP单层板结构，FRP材料密度。箱底部：底厚：。介质为水，水的密度安装位置，建筑物上，离地面(露天)。2.玻璃钢水箱性能设计2.1树脂基体玻璃钢所用树脂主要有：聚酯树脂，环氧树脂，酚醛树脂，呋喃树脂及改性树脂3等。但对于玻璃钢水箱用的树脂一般选择通用型不饱和聚酯树脂或者改性环氧树脂。尤其是盛装生活用水的玻璃钢水箱对树脂的要求比较高，即该类水箱用树脂除了要满足力学强度方面的要求以及耐水性要求之外，还要满足生活用水卫生要求，因此一般会选

5、择食品级不饱和聚酯树脂，如通用型189树脂等。2酚醛树脂由Bakelite发现的酚醛树脂已有130年的历史。酚醛树脂一般由苯酚和甲醛缩聚制成，固化后成为不熔不溶的网状体型结构，回收比较困难，跟环氧树脂相比较，机械性能也相对较低，粘度较大需加溶剂稀释后方可加工；固化时释放低分子聚合物，导致成型工艺难度大、降低制品性能等缺点。但其也有一些优点，最大特点便是具有良好的耐热性和阻燃性，此外电绝缘性和耐高温蠕变性能也比较好，价格低廉。最重要的是酚醛树脂具有非常大的改性空间4。2 环氧树脂环氧树脂是一种重要的热固性树脂，具有良好的物理机械性能，以及电绝缘性能，耐化学腐蚀，耐热，固化方便，黏附性强，耐酸碱及

6、一般溶剂等特点。但环氧树脂的固化物所具有的脆性大，冲击强度低，易开裂，等缺点，限制了环氧树脂的进一步应用。环氧树脂的种类很多，目前应用比较广泛的有溴化环氧树脂，双酚F型环氧树脂，邻甲酚酚醛环氧树脂，脂环族环氧树脂及液晶型环氧树脂等。2 不饱和聚酯树脂不饱和聚脂（UPR）具有优良的电性能、耐化学腐蚀性和耐环境老化性，硬度较高和加工工艺简便等优点，用途广泛。但UPR也有脆性大，强度低等缺点，使其应用受到了一定限制。为了满足不同的要求，会对其进行改性，改性方法一般有：使用弹性体增强其韧性；添加刚性粒子增强其强度；添加纤维增强不饱和聚酯树脂（包括添加天然纤维等纤维）；添加纳米粒子改性；添加其他热塑性树

7、脂改性等方法。2 呋喃树脂呋喃树脂为棕红色、琥珀色粘稠液体，微溶于水，易溶于酯、酮等有机溶剂，具有强度高、气味小、抗吸湿、溃散性好及砂可回收再用等优点。未固化的呋喃树脂与许多热塑性和热固性树脂有很好的混容性能，因此可与环氧树脂或酚醛树脂混合来加以改性。固化后的呋喃树脂耐强酸(强氧化性的硝酸和硫酸除外)、强碱和有机溶剂的侵蚀，在高温下仍很稳定。表2.1四种玻璃钢常用树脂比较特性环氧树脂聚酯树脂酚醛树脂呋喃树脂耐酸性较好一般好好耐碱性较好差差好耐水性最好很好很好好耐溶剂性一般差好好高耐热性较低（125）低（60-120）较高（150）高(200)机械性能好好较好较好电气性能最好好好好固化时挥发物无

8、无有有固话收缩率小大较大较大成型压力低-中低-中低-高低-高最大优点机械性能最好工艺性好耐酸耐酸，耐碱最大弱点不易脱模收缩大性脆工艺性差价格高低（个别品种高）较低较低2.2 增强材料 玻璃钢水箱设计中采用的纤维，顾名思义，自然是采用玻璃纤维，尽管使用的都是玻璃纤维，但玻璃纤维却有很多种类供选择使用，设计者可以根据所要设计的产品的性能和要求来选择不同类型的玻璃纤维。2 玻璃纤维用熔融玻璃制成的极细的纤维，绝缘性、耐热性、抗腐蚀性好，机械强度高。用做绝缘材料和玻璃钢的原料等。生产玻璃纤维用的玻璃不同于其它玻璃制品的玻璃。目前已经商品化的玻璃纤维有以下几种：（1）E-玻璃 亦称无碱玻璃，是一种硼硅酸

9、盐玻璃。目前是应用最广泛的一种玻璃纤维用玻璃成分，具有良好的电气绝缘性及机械性能，广泛用于生产电绝缘用玻璃纤维，也大量用于生产玻璃钢用玻璃纤维，它的缺点是易被无机酸侵蚀，故不适于用在酸性环境。（2）C-玻璃 亦称中碱玻璃，其特点是耐化学性特别是耐酸性优于无碱玻璃，但电气性能差，机械强度低于无碱玻璃纤维10%20%，通常国外的中碱玻璃纤维含一定数量的三氧化二硼，而我国的中碱玻璃纤维则完全不含硼。在国外，中碱玻璃纤维只是用于生产耐腐蚀的玻璃纤维产品，如用于生产玻璃纤维表面毡等，也用于增强沥青屋面材料，但在我国中碱玻璃纤维占据玻璃纤维产量的一大半（60%），广泛用于玻璃钢的增强以及过滤织物，包扎织物

10、等的生产，因为其价格低于无碱玻璃纤维而有较强的竞争力。（3）高强玻璃纤维 其特点是高强度、高模量，它的单纤维抗拉强度为2800MPa，比无碱玻纤抗拉强度高25%左右，弹性模量86000MPa，比E-玻璃纤维的强度高。用它们生产的玻璃钢制品多用于军工、空间、防弹盔甲及运动器械。但是由于价格昂贵，目前在民用方面还不能得到推广，全世界产量也就几千吨左右。（4）A玻璃 亦称高碱玻璃，是一种典型的钠硅酸盐玻璃，因耐水性很差，很少用于生产玻璃纤维。表2.2几种常见玻璃纤维力学性能玻璃纤维种类无碱玻璃纤维中碱玻璃纤维高碱玻璃纤维耐碱玻璃纤维高强玻璃纤维密度/(g/cm3)单丝拉伸温度/MPa21371767

11、128619002764表2.3几种常见典型玻璃纤维的化学性能比较玻璃纤维种类耐水性耐酸性耐碱性沸水煮1h后失重/%试验后水的电阻/mol/L）沸液中煮1h失重/%mol/L）沸液中煮1h失重/%无碱玻璃纤维（E玻璃纤维）1.710000中碱玻璃纤维（C玻璃纤维）72000-高碱玻璃纤维（A玻璃纤维）1125002.3 水箱设计方案2 方案1内衬层：mm，介质为水，材料选用A410TL-922KR型不饱和聚酯树脂（耐海水和酸性能好，适用于耐水胶衣层，23时黏度为3000-4000，室温凝胶时间7-12min，具有高的变形温度和抗弯强度），增强材料选用无碱玻璃纤维布、短切毡；结构层：选用mm，m

12、m无碱玻璃纤维布、短切毡，树脂基体为A400N-922型不饱和聚酯树脂（主要用于玻璃钢塑料制品，特别是接触水的制品，25时黏度为850-1150，室温凝胶时间11-19（26-34）min，具有高的变形温度和抗弯强度）；外表层：选用通用型196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，增强材料为无碱玻璃纤维布、纤维毡，为了防止老化，需要在树脂中加入20%UV-9紫外线吸收剂。2 方案2内衬层：mm，介质为水，材料选用间苯二甲酸脂（吸水率小、耐水性好、机械强度高，能耐多种酸碱及其它介质腐蚀，对玻璃纤维的浸润性较好），增强材料选用无碱玻璃纤维布、短切毡；结构层：选用mm，mm无碱玻璃纤维布、短切毡，树脂

13、基体为U541T-901型不饱和聚酯树脂（苯乙烯的排出量低，23时黏度为340-410，室温凝胶时间17-30min）；外表层：选用通用型196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，增强材料为无碱玻璃纤维布、纤维毡，为了防止老化，需要在树脂中加入20%UV-9紫外线吸收剂。2 方案3mm，介质为水，材料选用食品级不饱和聚酯树脂，增强材料选用无碱玻璃纤维布、短切毡；结构层：材料选用通用型189/191不饱和聚酯树脂，增强材料选用mm，mm无碱玻璃纤维布、短切毡；外表层：选用通用型196不饱和聚酯树脂，树脂本身耐雨水性好，增强材料为无碱玻璃纤维布、纤维毡，为了防止老化，需要在树脂中加入20%UV-9

14、紫外线吸收剂。2.4 助剂的选择2引发剂引发剂，是一类容易受热分解成自由基的化合物，可用于引发烯类、双烯类单体的自由基聚合和共聚合反应，也可用于不饱和聚酯的交联固化和高分子交联反应。种类很多，按引发剂的分子结构一般分为以下几类：A 过氧化物引发剂，如过氧化二苯甲酰(油溶性)，过硫酸钾(水溶性)等；B 偶氮化合物引发剂，即偶氮引发剂，如偶氮二异丁腈(油溶性)，V-50引发剂(水溶性)等；C 氧化还原体系引发剂，如过氧化氢-亚铁盐(水溶性)。选择采用过氧化甲乙酮，用量为1%。2促进剂促进剂按其效果可以分为三类：A 对过氧化物有效的促进剂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-二甲基对甲苯胺等。B 对氢氧化物有效的促进剂大都是具有变价的金属皂，如环烷酸或亚油酸钴、钒、锰等。C 对过氧化物和氢氧化物都有效的促进剂有十二烷基硫醇等。这类促进剂目前还没有应用于实际。由于促进剂与引发剂是相搭配的，故选择采用与过氧化甲乙酮引发剂相适应的过乙酸叔丁酯作为促进剂，用量为1%。2脱模剂按性状分为内脱模剂，用于模压和热固化，外脱模剂，用于手糊和冷固化，薄膜型脱模剂，混合溶液型脱模剂，油蜡型脱模剂。具体种类有有：聚酯薄膜，玻璃纸，聚氯乙烯薄膜，聚乙烯薄膜等。脱模剂选择原则：MPa；成膜时间短，厚度均匀，表面光滑；使用安全，无毒害作用；耐热、能以受加热固化的温度作用；操作方便，价格便

16、宜。选择采用聚乙烯醇溶液。3. 玻璃钢水箱结构设计3.1载荷设计3.1.1静水压设计静水压，按水箱内的最高水位决定。静水压参照表3.1取值。表3.1静水压取值项 目数 值水箱高度/m最高水位/m1.6静水压值/MPa3.1.2 风压荷载风压力按下式计算： (3.1) 式中风力系数，水取；风速压，与水箱离地高度有关。时， >时， 由于水箱安放高度为离地面，所以风压力为 3.1.3 雪荷载计算 雪荷载按表3.2取值。表3.2雪荷载取值最大积雪深度/cm每1cm厚雪质量/(kg/m2)计算取值/(kg/m2)30以内3050以内75100以内200雪载荷取值3.1.4 人荷载 人荷载以计算3.

17、2 水箱结构设计3安全系数 安全系数的确定，可参照钢结构或混凝土结构设计标准。强度计算的安全系数参照表3.3取值。考虑到长期载荷下能够安全使用较长时间取安全系数为K=10表3.3强度计算的安全系数名称 长期荷载 短期荷载 水压 8 4挡板 应力 其他玻璃钢 3 2补强零件 聚氯乙烯 3 2 聚乙烯 4.5 23. FRP材料的弹性系数及许用应力该水箱为玻璃钢手糊制品，按一般手糊玻璃钢力学性能取，。由此FRP材料的许用应力为， ，。3.箱体壁厚（1）、对于手糊成型的玻璃钢水箱，其箱体壁厚一般都是均匀的，即是以理论计算的箱体底端的厚度为整个箱体部分的厚度，而且其壁厚的设计计算可以根据立式贮罐的筒身

18、壁厚计算方法来计算设计。采用立式贮罐的壁厚计算壁厚为6： (3.2) 式中;，为水的密度；。K为安全系数，取10所以故厚度近似取（2）、风载荷下的箱体壁厚水箱所受的风压力为则水箱沿高度方向承受的均布载荷为 (3.3) 由风压引起的最大弯矩为 ) 用式(3.5)来计算水箱在风载荷下的厚度，代入数据得因此箱体的壁厚取水箱的最小壁厚为，。3.3 箱体部位应力及变形的分析与计算3.3.1 箱体受力分析箱体在水箱自重及静水压力作用下，受到压缩应力、弯曲应力及剪应力。该应力值在箱体与箱底联接处最大。由自重产生的最大压缩应力m，max由下式计算7： (3.6) 式中 mFRP材料的密度； R水箱半径； H水

19、箱高度； tr箱顶厚度； t箱底厚度。带入数据得由静水压产生的最大弯矩及对应的最大弯曲应力由下式计算: (3.7) (3.8) 式中为水的密度；水位高度；为FRP材料的泊松比；为截面系数，；。 带入数据得： =由静水压产生的最大剪力及对应的剪应力由下式计算： (3.9) (3.10) 带入数据得：由静水压产生的最大周向应力及最大挠度由下式计算: (3.11) (3.12) 式中Et为FRP材料的拉伸弹性模量，取Et=200MPa带入数据得：3.3.2强度校核综上可知箱体部分设计符合强度要求。3.4 箱底部位应力及变形的计算由于本设计的水箱为平底水箱，可以直接安放在水平基础面上，也可以设计支撑台

20、架来支撑水箱。3.4.1 支撑部分设计设支撑台架长方形部分长边的长度为a，短边的长度为b，x-y坐标的原点在长方形的中心位置8。由静水压产生的最大弯矩、最大弯曲应力和最大挠度值，可分别由下式计算： (3.13) (3.14) (3.15) 式中ps箱底的静水压力；、是参数的函数；其值由表3.4选取；表3.4等分布压力作用下周边固定支撑长方形板的、值a/ba/bZb截面系数，；EbFRP材料的弯曲弹性模量；tb箱底厚度。对箱底部分支撑台架的尺寸参数为r1=25cm，r2=R=150cm，a=80cm，b=40cm，a/b=2，由表3-4254829，带入数据计算箱底部各部分的应力值及挠度值，并与

21、对应的许用值进行比较，进行安全评价：3MPa=0.723cm3.4.2 强度校核=MPa<15MPa =0.723cm<0.025b=1.0cm 3.5箱顶部的计算3.5.1 载荷分析当水箱承受的压力达到某一临界值时，水箱虽不至破坏，但会失稳该应力值就是屈曲临界应力。对水箱进行结构设计时，需要计算屈曲临界应力，再进行比较，以确定水箱结构的稳定性，由弯距产生的箱体部的屈曲临界应力按以下公式计算： (3.16) 式中1(R/t)的函数，其值由图3.1选取。图3.1 1-R/t曲线图对于箱体的剪切屈曲，其临界剪应力，而根据Z值的不同，有不同的计算公式，这里。 当时， (3.17) 当时，

22、(3.18) 式中Cs为参数(R/t)的函数，由图3.2取。图3.2 Cs-R/t曲线图对于水箱顶部，取锥形壳体的半顶角1=75°，r1=25cm，R=150cm。箱顶部由集中载荷产生的屈曲，其临界应力与临界载荷由下式计算： (3.19) 式中 (3.20) 式中1箱顶锥壳半顶角；r2参数Rc/tr的函数，由图3.3中选取图3.3 2-Rc/tr曲线图3.5.2校核因为Z=53130 ，由图可得CS=0.6，所以=12.07MPa=KNKN，远小于该值，所以设计的顶盖是安全的。综上所述，水箱的设计是安全的。4. 玻璃钢水箱工艺设计玻璃钢水箱的传统成型工艺有手糊成型和SMC模压成型两种

23、，而对于圆筒形水箱，其筒身部分属于轴对称结构，还可以考虑采用缠绕工艺制造筒身9 。4.1工艺特点4手糊成型特点不需复杂的设备，只需简单的模具、工具，故投资少、见效快，适合我国乡镇企业的发展；生产技术易掌握，只需经过短期培训即可进行生产；所制作的FRP产品不受尺寸、形状的限制，如：大型游船、圆屋顶、水槽等均可；可与其他材料如：金属、木材、泡沫等）同时复合制作成一体；对一些不宜运输的大型制品（如：大罐、大型屋面）皆可现场制作10。4.1.2 SMC工艺特点操作方便，易实现自动化，生产效率高，改善了手糊成型的作业环境和劳动条件；通过改变配方，可改变成型工艺和制品性能；通过料的种类和加入量，可降低成本

24、和产品重量；成型流动性好，可成型结构复杂的制品和大型制品；制品尺寸性稳定，表面质量好，简化了后处理工序；增强材料在生产与成型过程中均无损伤，长度均匀，制品强度高，可进行结构优化设计11。SMC成型工艺的缺点在于由于成型需要在加热加压条件下进行，因此对成型设备和模具方面的投入较大。4.1.3 缠绕工艺特点缠绕制品的特点除具有一般玻璃钢的特点外，还有以下特点：纤维含量可高达80%，故其比强度高于其他玻璃钢；质量稳定，易于机械化、自动化，生产效率高，便于大规模生产；大量采用无捻粗纱，虽后期的生产成本比较低，但是初期的投入成本比较高，不利于小批量产品的生产；性能上呈现显著的各向异性，纵向强度高，横向及

25、层间强度低；缠绕制品开孔处应力集中程度高，应作局部加强处理12。4.2 手糊成型整体式水箱标准要求4.2.1 原材料增强材料应符合GB/T 14354中的规定13；富树脂层树脂应符合GB/T 14354中的规定；辅助材料应符合GB 9685的规定。4.2.2外观mm，表面应光滑平整，不允许纤维裸露，不允许有明显气泡；水箱外表面有均匀胶衣层，表面光滑无裂纹，不允许有明显伤痕，色调均匀，外表面缺陷允许修补，但修补后的颜色应保持一致；水箱边缘应整齐，厚度均匀，无分层，加工断面应加封树脂。4.3 采用工艺相比较三种成型工艺而言，由于成型产品为23m3的圆筒形水箱，但由于缠绕成型的初期投入的成本比较高（

26、即设备成本比较高）；故考虑成本因素，采用手糊工艺比较合适14。4.3.1 手糊工艺A 分类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，先将预学好料按样板裁剪成坏料，铺层时加热软化，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，扣除气泡，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。B手糊工艺流程玻璃纤维及其织物脱蜡裁剪树脂及制剂配胶模具涂脱模剂手糊成型固化脱模修饰成品图4.1 玻璃钢手糊成型工艺流程a 玻璃纤维及其织物的准备：玻璃纤维布首先要进行热处理去除纤

27、维表面的蜡，然后按要求裁剪，玻璃布的裁剪要与以后的铺放紧密配合，否则将难以得到质量优良的制品。b 配胶：按制品的性能要求选择树脂，胶液配制的控制指标是流动性(粘度)及凝固时间。每次配胶量不宜过多，以免胶凝不好操作。c 模具的准备：手糊成型时均采用木模，为脱模方便，在模具表面要涂脱模剂。d 糊制成型：糊制是在模具上先涂上层胶衣树脂，然后铺放一层玻璃布，用工具贴在玻璃布上以排除气泡。重复上述操作，直至达到所需厚度。环境温度对树脂固化影响很大，一般要求环境温度不低于1 5 ，湿度不大于80% 。e 固化、脱模、修饰：固化为常温固化，制品经24小时后，固化大致完成。脱模后放置5-6天，使之充分固化，然

28、后进行去毛边等修饰工作，最后组装成不同体积的各式水箱。4.4 铺层设计4.4.1筒身铺层厚度为9mm，结构层>7mm，经计算，铺层厚度为16层，由于主要承受环向压力，所以铺层方向为0°和90°交替铺设。采用玻璃纤维毡，玻璃纤维短切毡或者单轴，双轴纤维布等均可以15。表4.1水箱筒身铺层设计表11200g/m2，0/90，双轴纤维布2-41200g/m2，单轴纤维布5-81200g/m2，0/90，双轴纤维布9-111200g/m2，单轴纤维布12-131200g/m2，0/90，双轴纤维布14-151200g/m2，0/90，双轴纤维布161200g/m2，0/90，

29、双轴纤维布4.4.2箱顶铺层铺层厚度减小，计算后的具体铺层为16层，但由于受力较箱底小，用双轴纤维布和单轴纤维布或短切毡。表4.2水箱筒顶铺层设计表11200g/m2，0/90，双轴纤维布2-41200g/m2，单轴纤维布5-81200g/m2，0/90，双轴纤维布9-111200g/m2，单轴纤维布12-131200g/m2，0/90，双轴纤维布14-151200g/m2，0/90，双轴纤维布161200g/m2，0/90，双轴纤维布4.4.3箱底铺层厚度为15mm，结构层>13mm，经计算，铺层厚度为27层，由于主要承受径向压力，所以铺层方向为0°45°和90&#

30、176;交替铺设。采用玻璃纤维毡，玻璃纤维短切毡或者单轴，双轴和三轴玻璃纤维布等均可以。表4.3玻璃钢水箱箱底铺层设计表11200g/m2，±45双轴纤维布2-61200g/m2，-45/90/45，三轴纤维布7-111200g/m2，单轴纤维布12-141200g/m2，-45/90/45，三轴纤维布15-191200g/m2，单轴纤维布20-241200g/m2，±45双轴纤维布25-261200g/m2，-45/90/45，三轴纤维布4.4.4人孔盖的铺层具体尺寸参考零部件设计，铺层同箱顶铺层。4.5模具设计4 模具材料选择原则A 能够满足制品的尺寸精度、外观质量以及

31、使用寿命要求；B 模具材料要有足够的强度和刚度，保证模具在使用过程中不易变形和损坏；C 不受树脂侵蚀，不影响树脂固化；D 耐热性好，制品固化和加热固化时，模具不变形；E 容易制造，容易脱模；F 昼减轻模具重量，方便生产；G 价格便宜，材料容易获得。能用作手糊成型模具的材料有：木材，金属，石膏，水泥，低熔点金属，硬质泡沫塑料及玻璃钢等。4 模具构造 接触成型模具分为：阴模、阳模和对模三种，不论是哪种模具，都可以根据尺寸大小，成型要求，设计成整体或拼装模。A 阴模它的工作面向内凹，生产出来的制品，外表面光洁，尺寸准确，脱模容易。对于高度较大的制品，由于阴模生产排气和散热困难，操作不便，劳动条件差，

32、而且质量不容易控制。常用来制造船壳，机罩，雷达罩等外表面要求光滑的制品。B 阳模产品内表面光滑，尺寸准确，操作方便，质量容易控制，通风、排气和散热方便，劳动条件好。常用来生产浴盆、贮槽等内表面要求光滑的产品。C 对模它有阴模和阳模组成，通过定位销装配，它的产品内外表面都光滑，尺寸准确，厚度均匀，不适用生产大型制品。E 拼装模由多个模拼装而成，这种模构造复杂，但脱模方便。4 模具材料 手糊模具常用的材料主要有：木材、金属、石膏、石蜡、水泥、可溶性盐、低熔点金属、玻璃钢等。根据产品内外表面的光洁度以及精度等的要求，考虑材料的成本。法兰模具材料选用水泥，为阳模。水箱箱顶，箱体，箱底等采用玻璃钢模具，

33、同样为阳模，采用手糊工艺制造。5. 玻璃钢水箱零部件设计零部件主要有进出水孔，溢流孔等，可以采用三通，法兰，弯管等，考虑成本、制造工艺及安装等，决定采用法兰。带有翻边的玻璃钢三通图5.2 带有翻边的玻璃钢法兰图5.3 带有翻边的玻璃钢弯管5.1 法兰对于法兰的设计主要参照HG 20595-97进行尺寸设计。5制造过程A模具准备：包括清理、组装及涂脱模剂（黄油，聚酯薄膜）等；B树脂胶液配制的配制，增强材料准备；C糊制与固化：采用手工铺层糊制湿法成型，直接在模具上铺放增强材料，后浸胶，一层一层地紧贴在模具上，扣除气泡，使之密实。分为胶衣层糊制和结构层糊制。D脱模和修整。5.2人梯水箱体积为，需要设

34、置内外人梯。5.3进水孔高度为，孔径大小为，位置选定后作为其他孔的基准，采用法兰连接。5.4溢流孔 高度为2330mm处，孔径大小为，与进水孔的角度相差180°，采用法兰连接。5.5出水孔高度为150mm处，孔径大小为，在进水孔正下方，采用法兰连接。5.6 人孔及人孔盖孔径为，用法兰连接，法兰厚度为,伸出长度为，位置在顶盖中间，需要再制作一人孔盖，人孔盖直径为，厚度为，螺孔分布圆直径为，采用螺栓连接，螺栓孔径为。5.7 气孔孔径为，位置在人孔盖的中间，形状为弯管，采用法兰连接。5.8 排污孔孔径为，离底板高度为（即安装高度为）,与出水孔的角度差为，采用法兰连接。6. 玻璃钢水箱连接6

35、.1胶接连接6.胶黏剂胶黏剂一般可以采用成型玻璃钢水箱所采用的不饱和聚酯树脂加入引发剂、促进剂等配制而成。6表面处理胶结表面应平整，但不宜光滑。胶结前应预先使用砂纸进行打磨，把附着在表面的脱模剂、灰尘、水分等影响胶结质量的物质清除干净。6胶接接点胶接接点的形式一般分为对接，搭接，斜口接、T型粘结等几种。在胶结过程中，尚需注意以下事项。A 在两次胶接区，已固化层合板的最后一层最好用玻璃纤维短切原丝毡，胶接面应打磨，并清除油污及灰尘。第二次胶接的第一层也最好采用玻璃纤维短切原丝毡。B 连接层的各层采用逐层增长的模式连接。如果是带角度的连接，必须先用腻子刮成一定的弧度，然后再进行连接。C 连接板厚度

36、应不大于下列值。层合板与层合板连接，两块被连接的层合板中较薄板厚板的一半；夹层板与夹层板连接，两块被连接的夹层板中较薄面板的厚度；层合板与夹层板连接，层合板厚度的一半或夹层板的板厚取较小者。6.2 机械连接A 机械紧固件应选用合适与使用要求的材料，并且与被紧固件在电化上相容。B 玻璃钢层合板的所有裸露边缘要用树脂封闭，加层板的边缘极其开孔的边缘应用浸透树脂的毡封闭。C 对要求水密的连接，则应采用保证水密的措施。D 应设置垫圈，垫圈的直径不应小于2.5D。E 机械连接开孔的孔距与端距应符合标准。表6.1机械连接时的端距、边距、列距、行距标准层合板厚度/10-3m端距/10-3m边距/10-3m列

37、距/10-3m行距/10-3m3-54D>4D>52D4D>4D6.3 箱顶盖、箱底、筒身的连接箱底与筒身和箱顶与筒身均采用胶接连接，连接面处需作不强处理。6.4 人孔及法兰连接人孔及法兰的开设可以待水箱整体拼装完成后再按位置开孔安装，也可在拼装前预先安装。前者位置较准确，后者定位误差较大。可将二者相结合，即箱顶部分的人孔接管法兰预先安装好，侧壁部分采用成型后进行机械打孔，安装后需进行补强。此外，所有人孔、接管法兰的安装，都应按国家标准进行三角撑板加强和内外补强。6.5侧板与底板及侧板与侧板之间的补强侧板与底板之间的补强方法：选用轻质二氧化硅配置树酯胶泥，在直角接缝处刮出R=

38、80mm的过渡圆弧。固化后再用短切毡补强厚t=5mm宽各300mm。侧板与侧板之间的补强方法：以接缝为中线将200mm宽的短切毡5层依次铺上，滚平。补强时，壁板应先打磨干净，所用树脂和短切毡与内衬层相同。图接缝处的补强图6.2 法兰的补强7. 玻璃钢水箱检验方法7.1根据不同试验项目分别采用整体式水箱或随炉试样试验项目及试样形式见表7.1表7.1试验项目及试样形式测试项目耐水性满水变形进出口水密封性外观检查水质卫生检查其他各项试样形式整体水箱表面积为60cm2与水箱内表面等效样块随炉试样7.2外观 目测，外观没有明显裂纹为合格。7.3拉伸强度 拉伸强度按GB/T 1447测定，符合标准则为合格

39、。7.4 弯曲强度和弯曲模量 弯曲强度及弯曲模量按GB/T 1449测定，符合标准则为合格。7.5 巴氏硬度 巴氏硬度按GB/T 3854测定，符合标准则为合格。7.6 树指含量和富树脂层树脂含量 树脂含量及富树脂层树脂含量按GB 2577测定，符合标准则为合格。7.7 吸水性 吸水性按GB/T 1462测定，符合标准则为合格。7.8 固化度 固化度按GB/T 2576测定，符合标准则为合格。7.9 渗水性 将水箱放置在高度为45cm以上，与水箱使用状态相同的台架上，装满水使水位达到溢流孔位置，放置24h后，观察有无渗漏现象17。7.10进出水口密封性如图7.1所示，在进出水孔上安装与进出水孔

40、相适应的金属管道，在跨度70cm的一端设立一个支点，在中间加荷重0. 98kN (100 kgf )，观察水箱在满水状态下1h后进出水孔是否漏水18。图7.1进出水孔密封试验7.11 满水变形试验 将水箱放置在高度为45cm以上的台架上，如图所示，在水箱侧壁及底部最大变形处装上百分表，安装时应避开加强筋处，然后装满水放置1h后测定周围及底部的最大变形量。满水变形按7.1、7.2式计算: 式中： 侧壁变形，% 底部变形，% 侧壁最大变形量，mm 底部最大变形量，mm 水箱底部到溢流孔高度，mm 水箱底部支撑间距，mm图7.2满水变形量试验装置7.12水箱水质卫生性试验按GB 5750进行，符合标

41、准则为合格。7.13检验规则7出厂检验每台水箱出厂前，应进行外观、渗水性、进出水口密封性检验。7.13.2判定规则出厂检验各项均符合要求，判产品合格。如有不符合要求的，允许修补，修补后仍不合格则判为不合格品。7.13.3型式检验7.13.4有下列情况之一时，进行型式检验A 水箱试制和鉴定；B 主要原材料及配方改变；C 工艺条件及成型方法改变；D 正常生产1年，或停产1年以上恢复生产时；E 使用方提出要求时；F 国家质量监督检验机构提出要求时。7.13.5检验项目型式检验在邻近型式检验同期检查时生产的一台水箱上进行。检验项目包括水箱外观、理化性能指标，水质卫生性能。7.13.6判定规则每项检验均

42、符合要求时，则判型式检验合格，如某1项不符合则取双倍试样进行复验，如符合要求则判为合格，否则为不合格。小 结复合材料课程设计是专门为复合材料专业的学生而开设的一门实践课程，是基于复合材料产品设计这门课的综合实践课程，其要求复合材料专业的学生将前期所学的基础专业知识以及其他公共基础课程知识综合系统地融合在一起并加以应用，以达到真正对复合材料专业知识的融会贯通。该课程设计综合了复合材料制品设计及应用、复合材料工艺与设备、复合材料聚合物基体、复合材料结构与设计等复合材料课程以及机械制造基础、工程制图等机械类课程的多学科产物。设计过程中对于多学科的交叉有了进一步的认识与了解，在这基础之上进行产品的外观

43、、结构、性能等的设计需要涉及到很多内容，不仅需要掌握基本知识，还需要进行之上的综合处理。对于复合材料行业，该行业可以说是一个比较新兴的行业，发展还不是很完善，其产品设计最大的问题就是还没有形成一个比较统一的工业体系标准（如相关产品设计需遵循的国家标准或者行业标准），因此给复合材料专业设计人员带来较大的困难。当然，由于复合材料自身所特有的性能可设计性的特点，也使得复合材料的设计又具有灵活性，设计者可以根据自己的需要选择适当的原材料进行性能设计以达到所要求的性能。性能设计所选用的材料有很多，比如树脂基体，增强材料等，这些材料的选择的丰富性让各层设计都凸显出其特点。在成型工艺方面，传统的玻璃钢水箱一

44、般以手糊成型和SMC模压成型为主，但随着复合材料行业的不断发展，其成型工艺也得到很大的改善和提高，不断有新的成型工艺被开发出来，比如常用于玻璃钢管道和玻璃钢储罐的缠绕成型和喷射成型也可以用于圆筒形玻璃钢水箱和圆柱形玻璃钢水箱，而且用缠绕成型出来的水箱制品的强度也明显提高很多。当然对于目前的水箱主要以SMC模压成型的方形水箱居多。在整个设计过程中，不管是性能设计还是成型工艺的选择，甚至是结构设计，都需要综合考虑各种因素，包括性能、加工成本、制造难度、产品外观质量以及产品质量的维修成本等等。通过课程设计，让自己对大学四年所学的知识进行了一次比较完善的融合，是自己对所学专业知识有了更深的理解和掌握，

45、也在一定程度上对复合材料行业的工业生产设计有了一定的认识，同时在设计过程中也发现了不少的不足。但在整个设计过程着实让自己获益匪浅。参考文献1 刘雄亚,晏石林.复合材料制品设计及应用M.北京:化学工业出版社,20032 曾黎明,汪水平.FRP圆筒形玻璃钢水箱结构分析与计算J.武汉工业大学学报.2000,4(22):44-473 谢维章,谈智和.玻璃钢RO特种水箱设计及制造J.玻璃钢.2008,4:8-174 赵玉庭,姚希曾.复合材料聚合物基体M.武汉:武汉理工大学出版社,20045 陈昌泮,玻璃钢水箱的结构设计J.玻璃钢.1998,3:23-276 Welded.American Petrole

46、um Institute.Design and Construction ofLarge.Low Pressure Storage Tanks APISTANDARD620 J.19967 虞国平,吴群益.食品级玻璃钢水箱板块的结构设计J.玻璃钢.1998,4:24-288 郭田敏.山西省化工设计院.农机推广安全J.2006,11:36-379 刘雄亚,谢怀勤.复合材料工艺与设备M.武汉:武汉工业大学出版社,199710 赵贵哲,张彦飞.复合材料工艺与设备讲义M.太原:中北大学出版社,200911 王宏伟,梁茂变.论SMC不饱和聚酯玻璃纤维复合材料的应用研究J.科苑论坛,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 万友生,周祝林.