复合材料玻璃钢卧式贮罐-毕业设计.doc

毕 业 设 计院 系： 绵阳职业技术学院材料工程系专 业： 复合材料的加工与应用技术班 级： XXX姓 名： XXX学 号： XXX指导教师： xxx 老师 日期: xx年 xx 月 xx 日目录一、材料设计31、原材料的选用：31.1树脂基体材料31.2增强材料41.3辅助材料：51.4上述材料的配比61.5储罐的性能特点61.6玻璃钢储罐的防腐结构层71.7玻璃钢储罐的分类71.8玻璃钢贮罐的应用8二、结构设计81、贮罐构造设计82、贮罐荷载和设计简图93、贮罐设力计算104、由贮罐轴向应力计算壁厚125、按剪力计算支座处贮罐厚度126、按环向应力计算贮罐厚度127、半椭球形封头壁厚计算138、设计结果处理13三、工艺设计：131、制备该产品的详细工艺过程（附工艺流程图）132、使用的设备结构及工作原理16四、参考文献:19课题名称： 玻璃钢卧式贮罐设计 (生产一个50t的卧式贮罐，贮 存质量分数为50%的硝酸，使用温度为常温。)一、材料设计1、原材料的选用：1.1树脂基体材料主要采用不饱和聚酯树脂，分为邻苯型、间苯型、双酚A型，乙烯基酯四大类，其性能指标要求如下：(固体含量是指树脂在一定温度下加热，干燥后剩余物质量与原试样质量的比值 )1.2增强材料1.2.1 玻璃纤维表面毡： 采用C玻璃纤维毡，规格为3640g/，卷成幅宽为50mm、100mm或200mm的卷，分别用以缠小直径管和大直径管。纤维浸润剂是聚酯硅烷基的。干燥状态下表面毡的抗拉强度不低于0.1kg/。1.2.2 合成纤维表面毡： 合成纤维为聚丙烯、聚乙烯、饱和聚酯烯素的纤维，成毡时的纤维短切长度为510mm，表面规格为2530g/，幅宽为100mm或200mm。因为合成纤维表面毡在欧洲比C玻璃纤维表面毡价廉、且耐氟化物、操作条件好、故使用多。1.2.3 短切玻璃纤维毡： 采用E玻璃纤维，用聚酯型粘接剂粘接。规格为225g/和450g/，切裁幅宽为100mm或200mm。对其性能要求： 单位面积重量允差 +10%粘接剂含量允差 +5%纤维长度 2550mm在苯乙烯中的溶解指数 5101.2.4 纱布： 纱布用来缠绕在表面毡、短切纤维毡和树脂形成的内衬层外边，一驱除气泡，使内衬均匀，形成不渗漏的富树脂层。纱布采用涤纶纱或面纱编制而成，网眼尺寸为1.5mm2.5mm，幅宽100mm或200mm，每卷长度至少为200m。其性能要求如下：最大湿度1%（重量比）断裂强度2kgf/cm重量均匀变允差5%室温下在苯乙烯中浸泡1小时后溶解度不大于5%（重量比） 1.2.5玻璃纤维无捻粗纱： 据性能要求均采用无碱纱。 喷射用：支数2400tex，单位直径10微米，浸润剂含有机铬盐的铬合物，纱团初中16kg，内退绕。 缠绕用：支数2400tex或4800tex，硅烷型浸润剂，3060股纱合股而成，纱团初重16kg，内退绕。1.3辅助材料： 1.3.1催化剂： 在钛酸二甲酯中含50%的过氧化甲乙酮溶液。 1.3.2促进剂： 在苯乙烯中含6%的环烷酸钴溶液;或采用二甲基苯胺。 1.3.3阻聚剂： 在苯乙烯中含有10%的三丁基邻苯二酚的溶液。 1.3.4触变剂： 硅胶微粒 1.3.5防静电添加剂： 采用粒径2030微米的石墨粉，按20%30%的重量比，加入树脂中,作防静电添加剂,仅在需要的地方施加即可。 1.3.6紫外线吸收剂： 至少在制品最外层2mm厚时就加入。加入量为树脂的0.2%（重量比） 1.3.7填充剂：是为了提高树脂的抗压、耐磨、阻燃等性能于施工是的触变性，常用粉状物料填充剂。一般为活性二氧化硅、可溶性聚氯乙烯树脂。1.4上述材料的配比层次树脂增强材料壁厚含胶量功能内衬层内表层乙烯基聚酯毡4mm 95%防腐防渗层乙烯基短切毡70-80%防渗结构层不饱和聚酯树脂玻璃纤维毡及布按图纸50%提供强度、刚度外保护层不饱和聚酯树脂+UV/1mm100%耐腐、耐候、防老化1.5储罐的性能特点1.5.1 耐腐蚀性好： 玻璃钢储罐的耐腐蚀性可以根据使用条件设计，因此能满足耐腐蚀介质的使用要求。1.5.2 强度高、自重轻： 因玻璃钢材料的比强度搞，所以用其制造的储罐比同体积的玻璃钢储罐和钢筋混泥土储罐轻1/3以上。1.5.3 隔热保温效果好：因玻璃钢的导热系数仅为金属和钢筋混泥土的1/100和1/10，故用着化工设备可以节能。1.5.4 成型容易： 玻璃钢储罐可以用手糊成型，也可以用机械缠绕成型；尺寸可以小到1立方米，大到1500立方米。1.5.5 维修方便： 玻璃钢储罐可以在自然条件下现场维修，非常方便。1.5.6 安装、运输方便：由于璃钢储罐质量轻、整体性性好，因此一般都是在制造厂预制后，再运到现场安装。大型储罐也可以在现场安装横和制造。1.5.7 耐久性好: 玻璃钢储罐的使用寿命比经过防腐处理的金属和混泥土储罐长0.5倍以上。1.6玻璃钢储罐的防腐结构层 典型的玻璃钢储罐的防腐结构层有四层。1.6.1 内表层： 其功能是抵抗介质腐蚀，是防腐蚀结构的主要组成部分。其制造方法有两种。一是用玻璃纤维表面毡、有机纤维表面毡或其他增强材料的富树脂层，要求含胶量达到90%左右，其厚度为0.25mm0.5mm。二是采用热塑性塑料，如聚氯乙烯或橡胶等内衬材料。1.6.2 次表层： 其含胶量比内表层低，约70%80%。通常采用短切纤维做成的短切毡铺成；其主要功能是防止介质渗漏。次表层通常至少含有1200g/的短切原丝毡。内表层和次表层因选用韧性好、冲击强度搞高的耐腐蚀性树脂。内表层和次表层的组合纤维含量应为（275）%，组合厚度不小于2.5mm。1.6.3 结构层： 其是储罐的主要结构，用来承受外载荷，由连续纤维缠绕成型或由纤维织物手糊成型，含胶量35%55%。玻璃钢储罐的结构设计主要是确定这一层的普曾方式和厚度。1.6.4 外表层： 它是储罐结构层的外保护层。主要功能是保护结构层免受外界机械损伤和外界环境条件引起的老化。同时也是对储罐外表面的装饰。其含胶量约为60%70%。外表层也可以用树脂腻子修补后喷漆处理。1.7玻璃钢储罐的分类1.7.1按用途分类液体储罐：储存各种油、水及各种腐蚀介质等。；固体储罐：储存各种粉状及颗粒固体物质，如水泥、化肥、饲料、粮食等。气体储罐：储存各种气体，如天然气、液化石油气、煤气等。1.7.2按使用状态分类地下储罐：如地下油罐。地上储罐：这就是常用的玻璃钢储罐。半地下式储罐：这是上述两种储罐的组合形式。水上储罐：如海上、江上储罐。水下储罐：这种储罐安装在水下，不占土地、不受风浪影响、受气温影响较少，使用安全。宇航储罐：如火箭料储罐、飞机上使用的各种容器等。1.7.3按使用压力分类常压贮罐：只承受液体自重压力的贮罐。压力贮罐：除自重外尚有其他压力的贮罐。如煤气罐、氧气瓶等。1.7.4按外形分类圆筒型贮罐：分立式和卧式两种，是常见的贮罐形式。矩形贮罐：使用在环境限定矩形空间时。如矩形水箱、矩形饲料仓等。球形贮罐：从受力状态和有效容积方面考虑，这种形式最好。1.7.5按成型方法分类：1.7.6按贮罐成型方法可以分为手糊成型、缠绕成型及喷射成型。1.8玻璃钢贮罐的应用1.8.1玻璃钢化学贮罐：它是用于贮存酸、碱、盐及各类化学溶剂的玻璃钢贮罐，其是目前应用历史最长、用量最大的主要产品。1.8.2玻璃钢运输罐：分为汽车运输和火车运输两种。其容积分别为212立方米和3050立方米。1.8.3玻璃钢地下油罐：国外已有30年的发展历史，而美国90%的地下油罐都是用玻璃钢油罐，月有你500万个，最大容积为190立方米。二、结构设计1、贮罐构造设计容积换算 浓度为质量分数50%的硝酸, 其密度为L=1.25t/m2 , 50t硝酸的体积为 V=50/1.25=40m3。贮罐构造尺寸确定 贮罐直径取2.5m，则贮罐长度为L=V/(D/2)2=40/4.9=8.16m。初定贮罐结构尺寸为 : D=2.5m L=8m封头形式确定 选用半椭球形封头，H=0.6(D/2)=0.75m.伸臂长度确定 根据规定A0.2L，即A=0.28=1.6m。支座及间距 选用鞍形支座，宽0.2m，包角120。支座间距为:L-2A=8-3.2=4.8m2、贮罐荷载和设计简图贮罐构造，如图所示荷载计算 单位长度荷载为 q=1.1R2L=1.13.141.2521.25=6.74t/m=67.4KN/m3、贮罐设力计算 按双支座外伸梁计算贮罐受力。计算长度 L计=L+22/3H=8+22/30.75=9m贮罐承受荷载的弯矩及剪力如图。受力计算 a支座反力 FA=FB=1/2q(L+4/3H) =67.4/2(8+4/30.75) =303.3kNb支座处剪力 当取支座内侧截面时， Q内=FA-qA-2/3Qh=303.3-67.41.6-2/367.40.75=161.8kN当取支座外侧截面时， Q外=qA+2/3qH=67.41.6+2/367.40.75=141.5kNc支座和跨中弯矩 支座处弯矩计算 MA=-1/2q(A+2/3H)2=67.4/2(1.6+2/30.75)2=-148.6kN m 跨中弯矩计算 Mm=1/2q(L+4/3H)2-1/2q(L+4/3H) (L/2-A) =67.4/2(8+4/30.75)2-67.4/2(8+4/30.75) (8/2-1.6) =2001.8kNm4、由贮罐轴向应力计算壁厚 贮罐贮罐轴向应力发生在跨中贮罐底部和支部处贮罐的顶部，计算结果取最大值。跨中贮罐底部轴向应力按公式=R2L/t+Mmax/R2tx缠绕聚酯玻璃钢的轴向拉伸强度由材料力学第3章表3-13差得为85165MPa，取强度值160MPa。则x=160/K，K为载荷系数，试验表明K=13.4。则x=11.9 MPa（119kg/cm2）, 由材料力学改变式（410）为求贮罐底部厚度，则 t=R2L/x+Mmax/R2x =12520.00125/119.420018000/3.141252119.4 =3.69cm支座处贮罐顶部厚度Max=MA/R2t即t= MA/R2x t=1486000/3.141252119=0.254cm5、按剪力计算支座处贮罐厚度 贮罐的最大剪力发生在支座底部，当支座处有加强圈时，按式（414）计算。 Max=QMax/Rt 即t= QMax/R聚酯玻璃钢的剪切强度为8.9 MPa，取安全系数为8，则=1.11 MPa t=16180/3.1412511.1=3.7cm6、按环向应力计算贮罐厚度 贮罐环向应力的最大值，发生在支座处。设支座处的贮罐壁厚t=3.7cm，支座宽度Bo=20cm，则单元环的有效宽度B按式（420）计算。 B=B0+2(Rt)1/2/3(E0/EL)(1-0L)1/4 缠绕聚酯玻璃钢的环向和轴向弹性模量分别为210和1104，其泊松比为0.3和0.15，代入上式，则单元环的有效宽度为： B=20+2（1253.7）1/2/32104/1104(1-0.30.15)1/4 =20+221.5/1.55=47.7cm当=1200时，由表42查得=0.053。由表313差得缠绕玻璃钢的环向拉伸强度为=300 MPa 弯曲强度为=150 MPa。按式（425）求得 =N/Bt+ M/R2t 即t= N/By+ M/R2m取安全系数K=8，则y=300/8=37.5MPa, m=150/8=18.75MPa。t=0.343033/4837.5+0.0533033125/3.14125218.75 =0.57+0.04=0.61cm7、半椭球形封头壁厚计算 按式（428）计算半椭球形封头壁厚tPDM/2y=1.252500.79/237.5=0.33cm式中y=300/8=37.5MPaM=1/62+（D/2H）2=1/62+（250/275）2=0.798、设计结果处理 由轴向应力计算贮罐中壁厚，t=36.9mm;由支座剪力计算支座底部壁厚，t=37mm;按环向应力验算支座处壁厚，t=6.1mm;封头强度计算壁厚，t=3.3mm。综上计算结果，考虑到缠绕成型的特点，确定：罐体、封头及支座处壁厚均选用37mm;在支座处设加强圈，其宽度为50cm。三、工艺设计：1、制备该产品的详细工艺过程（附工艺流程图）工艺流程图1.1准备工作。 （1）仔细阅读设计文件，注意原材料选用、各部分尺寸、模具的选用、铺层设计等关键事项，做到心中有数。 (2)设备调试。首先认真检查设备运转及工作部位是否正常，特别要细心检查树脂-固化剂双组分泵是否有堵塞现象，之间配比是否达到设计要求；要确保制衬、缠绕、修整、脱模等设备的运行稳定和工作精度；（3）清理模具。要求模具表面无坑凹、粉尘、杂物及其他附着物，模具要作到表面平滑，有问题及时修理、维护； (4) 缠聚酯薄膜。为方便脱模，在模具表面应包覆1层聚酯薄膜，薄膜搭接宽度12，厚度为40um之间。要求薄膜无破损，无皱折，两面光滑洁净。薄膜产品质量满足GB 13950-1992的要求。 1.2筒体内衬成型。内衬按结构又分内衬层和过渡层，主要起防腐防渗作用。 （1）内衬树脂配制。根据当时的工作环境、温度条件作出的树脂配方体系进行内衬树脂配兑，配料量要根据制造进度合理掌握。当现场情况发生变化时，制造部门应及时调整配方，并按新配方配制需用的树脂； （2）按设计要求的铺层步骤进行内衬层制作。内衬的制作采用钢制模具，进口维纳斯喷枪喷射成型。内衬树脂含量高，具有很好的防腐防渗作用，其内衬层树脂含量为80%-90%，过渡层树脂含量为68%-78%。 （3）过程检验。按设计要求铺覆完各层后，要求操作工人进行初步的质量检测：内衬是否达到设计厚度,局部是否有贫胶、挂胶现象,是否有白斑、气泡，若发生上述情况应及时采取处理措施； （4）内衬深度固化，脱模。1.3上下封头成型加强。封头按结构分内衬层和结构层。（1）封头内衬层成型与筒体内衬成型工艺及原材料相同，采用喷枪喷射成型，树脂含量高。封头内衬层铺设完毕，深度固化。 （2）铺设封头结构层，喷枪喷射喷射纱与玻璃布交替进行。玻璃布各单层铺设过程中应施加合理的张力，相互之间适量搭接，并用组合压辊反复滚压赶出气泡以保证纤维完全浸透。要求各增强材料层达到设计的树脂含量要求。 （3）过程检验，深度固化，脱模。1.4整体加强。 （1）将组装好的设备壳体接入数控纤维缠绕机，打磨、修整设备壳体外表面。在内衬管口处钻孔，充气保证内衬的圆度。 （2）用短切毡局部加强下封底与筒体拐角应力集中区，调整缠绕角及封头包角，依适应封头应力集中特性，下封头包敷宽度大于250mm，筒体包敷高度400mm。 （3）喷射纱、环向与交叉缠绕交替进行，并通过调整内衬转速及纤维张力，保证罐壁树脂含量。外斜底设备下封头底面与设备轴线不垂直，调整缠绕设备及缠绕参数，整体加强中交叉缠绕的缠绕长度大于设备筒体长度，缠绕纱对设备上下封头形成花蕾式包敷。 （4）过程检验，深度固化。1.5装配管口。根据图纸划线定位，开孔安装管口。 1.6外保护层。整体制作完毕后（包括配件安装），喷涂防护层，抗老化胶衣树脂添加紫外线吸收剂、增韧剂。 1.7送检、试水、试压。2、使用的设备结构及工作原理2.1功能概述及配置： XSFRP-01型玻璃钢罐缠绕机是采用德国进口可编程控制器控制，该设备人机界面合理，输入准确的产品参数即可自动完成产品的环绕和交叉缠绕加工。该设备一般用于缠绕直径在1000-4200mm以内玻璃钢化工储罐、容器、化粪池、运输罐的制造，也可用于其他行业制造线型缠绕类制品。它具有定位精度高、抗干扰能力强，操作调整方便、组装灵活、生产效率高、一机多用、操作方便等特点，具有广阔的应用前景。 控制系统：玻璃钢罐缠绕系统：交叉状态（自动）、环绕状态（可自动可半自动）、正反向缠绕、紧急停车、无级调速等功能，无级调速时不影响线型。 控制系统主要由以下硬件组成：人机界面采用触摸屏西门子可编程控制器。小车伺服系统。主轴变频系统或磁变速系统。小车行走轨道（15m）：包括摆线针减速机、伺附电机（进口国产可根据客户要求配置）、行走链条、链条涨紧机构、进口欧姆龙编码器等。传动机头（三轴）：包括齿轮减速机及链轮、链条、普通电机、编码器等。可移动罐体、支撑架 。缠绕小车：包括带控胶装置的梳式浸胶槽、导丝头等。简式张力纱架 、控制柜（人机界面）。2.2技术参数：生产产品最大直径：100 0mm -4200mm（也可根据客户要求定做）生产产品最大长度：11000mm最大出纱速度：100m/min最大纱片宽度：200mm生产能力：2000-3000kg/h主轴转速：n35r/min缠绕角度：15a452.3使用说明 XSFRP-01型玻璃钢缠绕机是一款即可全自动又可半自动缠绕的新型玻璃钢缠绕机，其所用技术综合了国内外优秀玻璃钢缠绕机的特点，并在算法上作出的改进，大大提高了设备的自动化水平。 按照注意事项所述，上电当触摸屏显示正常后，按一下方法使用此设备（在全自动