第七章 复合材料典型产品设计.pptx

1、第7章 复合材料典型产品设计,7.1 复合材料贮罐设计 7.2 纤维缠绕内压容器设计 7.3 管道设计 7.4 冷却塔结构设计 7.5 地面雷达罩的结构设计,7.1 复合材料贮罐设计,7.1.1 概述 7.1.2 卧式贮罐设计 7.1.3 立式贮罐设计,在当前已经开发的复合材料制品中，玻璃纤维增强树脂基复合材料（俗称玻璃钢）的贮罐占有相当的比重。玻璃钢贮罐有较好的耐腐蚀性和承载能力，与金属贮罐相比，制造工艺比较简单且容易修补，所以，在石油、化工等部门已有逐步替代简述贮罐的趋势。近几年来，我国生产的玻璃钢贮罐已由中小吨位向大吨位发展，最大的玻璃钢贮罐容积已达到1500m3。 目前贮罐的设计方法主

2、要有两种，一种是以强度为标准，在一定的安全系数下，使贮罐的应力小于材料的许用应力；另一种是以变形为标准，使贮罐的应变不超过规定值。在实际产品设计中，由于材料强度极限的数据积累比较充分，而且能方便地使用最大应力失效准则及相应的设计标准，所以第一种方法较通用，而应变设计方法在变形需要严格控制时才使用。,7.1.1 概述,2020年8月21日,3,玻璃钢贮罐按照使用功能与放置场地的不同，可以有多种结构形式。按使用压力的不同，有压力贮罐和常压贮罐之分；按形状不同有圆柱形、球形、箱形等结构形式；按置于地面或运输车上有静置贮罐和运输贮罐之分。不论哪种贮罐，从结构上来说都是各种形状的壳体组合而成，且壁厚通常

3、由四部分材料组成： 内表层 也称防腐防渗层，其作用是抵抗介质腐蚀，防止液体渗漏。此层的形成一般有两种方法：一种是采用玻璃纤维表面毡、有机纤维表面毡或其它增强材料的富树脂层，要求含胶量达到90%左右，其厚度约为0.5mm；另一种方法是采用热塑性塑料如聚氯乙烯或橡胶等内衬材料。,7.1.1 概述,2020年8月21日,4,2020年8月21日,5,次表层 也称过渡层，其含胶量比内表层低，约7080%，通常由短纤维支撑，它具有一定的防腐防渗能力。在内表层局部出现裂纹时，次表层可对介质起一定的阻挡作用，一面承力的结构层立即遭到损伤，从而提高贮罐使用的可靠性和寿命。这一层厚度一般在2mm左右。 结构层

4、这一层是贮罐壁的主要结构，用来承受外载荷，有连续纤维缠绕成型，或由纤维织物手糊成型，含胶量为3555。玻璃钢贮罐的结构设计主要是确定这一层的铺设方式和厚度。,7.1.1 概述,2020年8月21日,6,外表层 这一层是贮罐结构层的外保护层，其功能是保护结构层免受外界的机械损伤和外界环境条件引起的老化。同时也是对贮罐外表的装饰。这一层含胶量较高，约为6070%。外表层也可用树脂腻子修饰后喷漆处理。 玻璃钢贮罐结构设计师还必须考虑一些附属构件，如连接管的法兰盘，共操作人员进出的人孔，以及口盖或顶盖等。,7.1.1 概述,2020年8月21日,7,2020年8月21日,8,A 端部支承卧式贮罐的内力

5、与变形 对于支承位置在端部，如下图所示，由于封头刚性较大，其最大应力及变形在贮罐中部。,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,9,上图所示的圆柱形贮罐，当贮罐装满液体后，作用在罐壁上的压力沿高度呈三角形分布，若以贮罐横截面的圆心为坐标原点，则水压的分布载荷为：,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,10,(7-1),式中为介质密度，R为贮罐半径。 取贮罐的坐标系轴向为x，周向为。对离开端部相当远处所取的罐壁微元体abcd，其内力与位移分量如上图，由无力矩理论得其平衡方程为：,(7-2),旋转壳体在内压力作用下发生变形，在壳壁中产生拉应力和弯曲应力，当壳体的壁厚很薄时弯曲应力

6、比拉应力小得多（理论上可证明，拉应力与弯曲应力之比和壳体半径与壁厚之比是同量级的）。在工程应用中，常忽略弯曲应力而只考虑拉应力的影响，这对一般的工程设计有足够的精度。这种分析问题的方法称为“无力矩理论”，由此求得的旋转壳体中的应力称为“薄膜应力”。 无力矩理论由于简单易行，而且在一般的工程应用中有足够的精确度，因而得到了广泛的应用。然而由于某种原因使壳体中产生的弯曲应力较大而不能忽略时，就不宜再用无力矩理论。所以无力矩理论的应用是有条件的，这些条件是： （1）壳体曲率半径的变化是连续的、无突变，壳体的厚度也无突变； （2）构成同一壳体材料的物理性能（E、等）是一致的； （3）作用在壳体上的外载

7、荷是连续的，没有突变或集中载荷作用； （4）壳体边界处只有沿经线切线方向的约束，而经线的转动和法向位移均不受约束。 以上只要有一条不满足，就不能应用无力矩理论，而应按有力矩理论进行分析。,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,11,由此可解得内力为：,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,12,(7-3),对于正交各向异性材料的罐壁，其内力与应变的关系为：,(7-4),式中aij为面内柔度系数。将(7-3)代入(7-4)，展开得：,(7-5),对式(7-5)积分即可得到卧式贮罐的位移为：,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,13,(7-6),在x=0, =的扰度

8、最大，则：,(7-7),B 鞍形支座卧式贮罐设计 载荷分析 两支座支承的卧式贮罐受力模型如右图所示，计算时可简化为简支梁。作用在筒体上的载荷有介质载荷和贮罐自重，分布载荷集度为：,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,14,(7-8),式中L, m和t分别为介质的密度，贮罐材料的密度和贮罐的壁厚。在工程中，自重所占的比例仅为介质质量的510%，贮罐溶剂越大，该比例越小，因此，上式可简化为：,(7-9),对于贮罐的封头部分，无论椭球、球形或蝶形封头，其体积可用下式计算：,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,15,(7-10),式中，H为封头的深度，于是封头中介质的质量为：,

9、(7-11),上式可认为相当于贮罐的两端分别被加长了2H/3，此时贮罐的长度为（L+ 4H/3），称为贮罐的当量长度，于是总载荷为：,(7-13),贮罐的轴向应力计算 若将两支座的卧式贮罐简化为一个简支梁，按理论计算的轴向应力和应变均很小，在金属贮罐设计中一般不用考虑。但在较大容量的玻璃钢贮罐中，由于筒体变得扁平而使实际的轴向应力远比按简支梁理论计算的结果大，且分布复杂，目前尚不能用简单的方法进行精确计算。通常可按下式算得的轴向应力进行强度校核：,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,16,(7-14),式中，k为载荷系数，实验表明，k13.4，0max为按梁理论和内压算得的最大轴向

10、应力，可由下述方法求得。按简支梁算得的最大应力为：,(7-15),上式中，Mmax是最大弯矩，可能发生在中部或者支座处。另外，若贮罐同时承受内压力p，由内压所产生的轴向应力为：,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,17,(7-16),于是贮罐上的最大轴向应力为：,(7-17),贮罐的剪应力计算 在支座处截面的剪力最大，因此计算剪应力是应取支座截面处的剪力。分内外两侧考虑，如下图所示：,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,18,当取截面内侧时：,(7-18),当取截面外侧时：,(7-19),7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,19,罐壁上任一点的剪切力为：,(

11、7-20),当 时，该处的剪切力最大：,(7-21),为了确定最大剪应力，Q应取Qi与Qo中的较大者。,贮罐的环向应力计算,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,20,贮罐的环向应力计算,半球形的封头 受力均匀，与筒体的连接是平滑过渡，局部附加应力小，所以钢制贮罐尤其是高压容器适于采用这种封头，但由于这种封头深度大，手糊成型不方便，而且脱模比较困难，故玻璃钢贮罐很少使用这种形式的封头。,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,21,碟形封头 由球缺和折边圆环组成的几何体，故又称带折边的球形封头。这种封头成型和脱模都比较方便，但受力不均，有较大的附加应力，需要进行应力校核。封头的最大应力可按下式计算：,(7-39),式中p为贮罐内压；t为结构层厚度；R为封头球缺的半径；M为形状系数：,(7-40),式中r为过渡圆的半径。,7.1.2 卧式贮罐设计,2020年8月21日,22,半椭球形封头 由半椭球形封头上个点的径向应力L和环向应力T随位置变化，在封头中心处径向应力和环向应力相等，其值为：,(7-41),而在封头与筒身的连接处：,(7-42),封头的壁厚t通常采用如下公式计算：,(7-44)