玻璃钢许用应力计算案例.doc

精品文档按限定应变准则计算示例设计一个玻璃钢污水池盖板，依据相关气象资料，十年内最大降雪量为37毫米。雪的密度取0.1g*cm-3.1.选材及铺层设计树脂选用不饱和聚酯树脂3301作内外表面层。191作强度层，Em=3103MPa；m=1.25g/cm3，m=0.35。增强材料选用中碱正交平衡无捻粗纱方格布和玻璃纤维短切毡。玻璃布单位面积质量800g/m2，玻璃布玻璃钢的树脂重量含量为35%。短切毡采用纤维d=10m；L=50mm的无纺布；毡布单位面积质量450g/m2。短切毡玻璃钢的数脂含量为45%。Ef=7.5105MPa；f=2.5 g/cm3；f=0.18。用选择的树脂和纤维织物，通过将来制作设备的工人按照工艺制作出大量试样。试样在硫酸浓度3%的介质中浸泡后测试，拉伸应变在0.105%后产生声发射。确定限定的应变值为0.095%。铺层的层间结构采用内防腐蚀层-过渡层-强度层-外防腐层的铺层。内防腐蚀层树脂含量80%，厚度1mm，表面毡增强；过渡层树脂含量60%，厚度2mm，短切毡增强；强度层由玻璃布和短切毡的单层板交替铺叠；外防腐层的树脂含量80%，厚度1mm，表面毡增强。2. 几何设计Di=10000mm。由此依据工程经验及业主要求计算出直径10000 mm的弧形盖板高度：3.单层板参数计算玻璃布单层板用胶量：单位面积单层板的树脂用量如下：Wsm=WfWm1-wm=8000.351-0.35 Wsm=430 g/m2玻璃布单层板厚度：t=Wff+WfWm1-Wmm=80010-42.5+80010-40.351-0.351.25t=0.032+0.034cm t =0.66mm这里计算时应该考虑数据的物理意义，便于理解。玻璃纤维贡献了0.32的厚度，树脂贡献了0.34的厚度。说明施工技能很重要，一方面树脂要刷平、按照单位面积单层板的树脂用量刷够；另一方面不能用太大的力碾压纤维织物，否则单层板的下部玻纤含量高，上部树脂含量高。玻璃布单层板纤维体积分数：Vf=mMfmMf+fMm=1.250.651.250.65+2.50.35 Vf=0.48，按平衡布特性，纵横向 VfL= VfT=0.24玻璃布单层板树脂体积分数 Vm=1-Vf=0.52短切毡单层板的树脂用量：Wsm=WfWm1-wm=4500.51-0.5 Wsm=450 g/m2短切毡增强单层板厚度：t=Wff+WfWm1-Wmm=45010-42.5+45010-40.51-0.51.25 t=0.018+0.036=0.052cm =0.52mm短切毡单层板体积分数：Vf=mMfmMf+fMm=1.250.501.250.50+2.50.50 Vf=0.33短切毡增强层单层板的树脂体积分数 Vm=1-Vf=0.674.玻璃布单层板的设计应力单层板的纵向弹性模量：EL=EfVfL+EmVm=7.51040.24+31030.52 =1.8104+1.56103=19560MPa从上式数据可见纤维的贡献是树脂的10多倍，原则上纵向弹性模量只用纵向纤维体积分数，但是树脂却都作了贡献，所以树脂使用全部的体积分数。单层板的横向弹性模量：1ET=VfLEf+VmEm=0.2475000+0.523000 ET=5660 MPa 则主应力方向的弹性模量：E1=KfLEL+ET=0.9519560+5660= 23959MPa现在很多都认为纤维布的波纹对强度的影响并不用考虑，但它确实是存在的。在这个计算中树脂的作用出现了重复计算的情况，从单向受力的情况考虑，推到力学模型的时候确实应该全部树脂体积分数都应该计算。但是作为正交织物单层板，简单的力学分析在此已经无能为力了。当限定应变为0.095%时，单层板允许的最大应力：1=E1=239590.095%=22.76MPa在限定应变下的安全系数：按K=K1K2K3K4K5计算。K1、K5因为样块成型与设备成型及工艺都相同计为1，这完全与工厂工人的操作一致性和工人间的操作技术差异决定的，工艺、工序卡片执行的严格程度，原料品质和数量、配比控制都是这些关于工艺的安全系数大小的主要影响因素。每一个工步的误差是可实测的，这个误差就是这个工步的安全系数，所有工步的安全系数就构成了工艺操作的安全系数。K2因为限定应变值小0.095%，玻璃钢的蠕变性低，蠕变影响安全系数取1.3，这仅比蠕变影响安全系数最低值1.2多那么一点点，主观因素较大。正确的做法是将设计复合材料进行蠕变试验，根据试验结果选定。K3在设计温度为40，树脂的热扭变形温度70条件下，查图 选择1.1；玻璃钢盖板因受腐蚀承受交变载荷疲劳，这与使用周期有关，假设每天交变两次。设备寿命10年，每年300天工作计，则总交变次数=103002=6000次，查图得交变载荷影响系数K4=1.3.K=K1K2K3K4K5=11.31.11.31=1.86单层板的设计应力为：22.76:1.86=12.24MPa5.短切毡单层板的设计应力短切毡单层板的弹性模量由Halpin-Tsai半经验公式计算。先计算各项系数。EfEm=7.51043103=251=Ef/Em-1Ef/Em+2L/d=25-125+251010-4=2.410-32=Ef/Em-1Ef/Em+2=25-125+2=0.89第一向弹性模量 E1=Em1+2Ld1Vf1-1VfE1=31031+251010-42.410-30.3331-2.410-30.333=27215 MPa第二向弹性模量E2=Em1+22Vf1-2Vf=31031+20.890.3331-0.890.333 E2=6791 MPa短切毡增强的弹性模量：E=38EL+58ET=3827215+586791 E=14450 MPa取计算安全系数1.1。则计算弹性模量=144501.1=13136 MPa当限定应变为0.095%时，单层板允许的最大应力=131360.095%=12.48MPa在限定应变下的安全系数：K=K1K2K3K4K5。与玻璃钢的基本一致，只是由于短切毡的树脂用量相对较大，短切毡蠕变性也较大，所以蠕变影响安全系数取1.6；总安全系数： K=K1K2K3K4K5=11.61.11.31=2.288短切毡单层板的设计应力为12.482.288=5.45 MPa对以上整个过程仔细体会，会发现弹性模量计算时数值达到上万，然后按限定应变计算应力时数值变小很多，说明弹性模量估算的10%以下的误差对最终的结果并不敏感。反而是应变值、安全系数对最后的结果影响很大，而恰恰是这些参数