起迄日期：2009年12月21日～2009年12月31日课程设计地点： 中北大学材料科学与工程学院

　　通过复合材料玻璃钢产品课程设计，强化学生课堂上学习到的复合材料产品设计的知识，加深学生对复合材料设计思路的理解，培养学生独立设计复合材料产品的能力，使学生熟练掌握AutoCAD等绘图软件的应用，为学生以后的毕业设计和从事相关工作打下良好的基础。

　　设计内容包括卧式玻璃钢贮罐装配图一张及铺层表，全部非标准件零件图及铺层表，并打印设计说明书。

　　设计工作任务及工作量的要求〔包括课程设计计算说明书(论文)、图纸、实物样品等〕：

　　本次课程设计的设计成果以复合材料产品设计图纸和设计计算说明书的形式提交。

　　卧式玻璃纤维增强塑料贮罐主要用做化工贮罐、运输罐车、反应釜、喷雾洗涤器等。与立式贮罐相比，卧式贮罐的容积较小，但具有搬运方便，可异地安装使用的特点。

　　玻璃钢容器、玻璃钢储罐耐化学腐蚀，使用寿命长，玻璃钢具有特殊的耐腐性能，在储存腐蚀性介质时，玻璃钢显示出其他材料所无法比拟的优越性，可以耐多种酸、碱、盐和有机溶剂[1]。

　　可以改变树脂系统或增强材料来高速玻璃钢贮罐及非标装置的物理化学性能，以适应不同介质和工作条件的需要。通过结构层厚度、缠绕角和壁厚结构和设计来调整罐体的承载能力，制成不同压力等级或某些特殊性能的玻璃钢贮罐及非标装置，这是各向同性的金属材料无法与其相比的。

　　因为玻璃钢的比重通常为 1.8-2.1，是钢的1/4-1/5，比钢、铸佚和塑料的比强度都高。玻璃钢的热膨胀系数与钢大体相当，热传导系数只有钢的 0.5%。玻璃钢贮罐具有一系列特点，如质量轻、耐腐蚀性强、强度高、保温隔热效果好、成型容易、安装和运输方便、维护费用低等，在各工业领域得到广泛应用[2]。

　　我国玻璃钢贮罐的发展十分迅速，已经颁布了纤维增强塑料贮罐的标准，规定了贮罐用原材料、生产工艺、结构形式、产品性能和几何尺寸、验收条件等等，规范了玻璃钢产品市场，对提高玻璃钢贮罐产品质量起到了促进作用。目前国内玻璃钢贮罐主要用于地下石油贮罐、化工及食品容器、运输罐、三次采油聚丙烯酰胺母液贮罐、工业用超纯水贮罐、污染回收罐等等纤维增强塑料贮罐是复合材料制品最广泛应用的一种产品结构形式，主要用于储存各种腐蚀性液体、气体和粉末状物料，应用在石油、化工、冶金、造纸、城市供水等领域。这类贮罐强度、刚度和防渗漏性要求较高，对于容积较大的贮罐，特别适合于纤维缠绕工艺或喷射工艺整体成型，不宜采用手糊工艺分块制造、最后组装的结构形式。

　　设计标准：《中华人民共和国行业标准玻璃钢储罐标准系列HG21504.1-92》，卧式储罐容积V?60m3，可选直径系列有D?2800mm和D?3000mm，本设计初选D?3000mm，因此储罐的长度

　　卧式圆筒形储罐的封头一般采用凸形封头，常用的凸形封头形式有半球形、半椭球形和蝶形封头[3]。

　　这样封头深度大，手糊成型不方便，脱模比较困难，所以玻璃钢储罐很少采用这样封头。

　　半椭球形封头其是由半个椭球壳和一段高度为h的圆筒形部分组成。由于半椭球形曲线的曲率半径变化是连续的，所以封头中的应力分布比较均匀，受力仅此于半球形封头，加工制造比较方便。

　　形部分以及半径为r的过渡部分组成，标准蝶形封头R?0.9D且r?0.17D。在连接处，经线曲率半径有突变，应力分布不如椭球形分布均匀，缓和，但是蝶形封头的加工制作最方便。

　　综合以上分析，选择蝶形封头，因为它加工制造最方便，本设计中的卧式储罐不是压力储罐，因此标准蝶形封头可以满足应力使用要求，因此R?0.9D且r?0.17D，封

　　卧式储罐一般是水平安装在支座上的，支座主要分为双边连续支座、鞍座、圈座和支腿。其中鞍座应用最多,所以选择鞍式支座。

　　（4）进水、出水孔、人孔、液面计口、备用口安装标准按HG21504.1-92《玻璃钢储槽标准系列》

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　　任务要求:贮存质量分数37%的盐酸，使用温度为常温，属于典型的玻璃钢贮罐。

　　典型的玻璃钢贮罐其结构分为四层：内表层、次表层、结构层和外表层。其功能各为：

　　外保护层则用于防自然老化和摩擦碰撞[4].内表层、次表层、结构层和外表层如图3-1：

　　内表层也是防腐层，一般用玻璃纤维表面毡、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0.25~0.5mm。各种材料指标如（表一）

　　其含胶量比内表层低，通常有短切纤维制成的短切毡铺成；其主要功能是防止介质渗漏。

　　这一层是贮罐壁的主要结构，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。玻璃钢贮罐的结构设计主要是确定这一层的铺层方式和厚度。

　　它是贮罐的结构层的外保护层。其功能是保护结构层免收外界机械损伤和外界环境条件引起的老化。

　　2，结构层树脂用S901，其特点是：价格便宜、实用性强，同时其强度要求满足工艺及其使用要求。

　　玻璃钢基布（玻璃钢0.4布）是由中碱或无碱无捻粗纱纺织而成，无捻粗纱经硅烷偶连剂处理，易于被树脂浸润，耐腐蚀，强度高，而且层间粘合性好，能适合各种曲面施工[7]。

　　玻璃纤维表面毡特有的生产工艺,决定其具有表面平整纤维分散均匀,手感柔顺,透气性好,树脂浸透速度快等特点.表面毡应用于玻璃钢制品,良好的透气性能使树脂快速渗透,彻底消除气泡和白渍现象,它良好的伏模性适合任何形状复杂的产品和模制品表面,能掩盖布纹,提高表面光洁度和防渗漏性,同时增强层间剪切强度和表面韧性,提高产品的耐腐蚀性和耐侯性,是制造高质量玻璃钢模具及制品的必需用品.产品适用于玻璃钢手糊成型，缠绕成型，拉挤型材，连续平板，真空吸附成型等工艺。

　　储罐的最大轴向应力发生在跨中储罐底部和支座处储罐的顶部，计算结果取其最大值。

　　查表得，缠绕玻璃钢聚酯储罐的轴向拉伸强度为85?160MPa,取强度值为160MPa，

　　聚酯玻璃钢的剪切强度为8.9MPa，取安全系数为8，则[?]=1.11MPa。代入数据的

　　增大鞍座包角?时，可以减小储罐的环形应力，但是鞍座变得笨重，材料消耗增多；而过分减小包角，将使设备容易从鞍座上倾倒。在一般情况下，鞍座包角应在

　　玻璃钢和钢材相比在荷载下易产生较大的形变，在玻璃钢结构设计中用增加厚度来提高储罐的刚性不一定恰当，有时不仅给成型带来很大的困难，也会增加成本，这一问题在玻璃钢储罐的设计中尤为突出，支座处的环向弯矩会使筒体的壁厚大为增加，因此在鞍座处设置加强圈是很必要的[8]。

　　加强圈有两种形式，一种是在筒体外设置加强圈，另一种是在筒体内设置加强圈，无论从美学还是力学的角度分析，内置加强圈都要比外置加强圈要好，因为筒体的应力是压应力，如果还有操作内压作用时，还会降低压应力的数值，而采用外加强圈是，筒体的应力是拉应力，如果有操作内压作用时，拉应力的数值会随之增加，从防渗漏的角度分析，拉应力对玻璃钢储罐来说是不利的，因为树脂的延伸率比纤维大，尽管玻璃钢的有较大的拉伸强度，但拉应力会使树脂中的微裂纹处于张开的状态。

　　?设支座处的储罐壁厚为t=4.1cm ，支座的宽度B ?20cm，缠绕聚酯玻璃钢的环向和

　　轴向弹性模量分别为2???4和????4，其泊松比为0.3和0.15，因此可以得出加强圈的有

　　鞍座宽度选用200mm，包角为????，最底边离地高度5mm,采用采用树脂手糊成型；

　　\（5）顶部法兰支管采用无塑料衬里的伸入式支管，封头处法兰采用无塑料衬里的平接支管。

　　纤维缠绕增强材料制品的特点：纤维缠绕增强材料制品除具有一般纤维增强制品的优点外，还具有更为突出的特点：

　　FWRP的比强度是钛合金的3倍，钢的4倍。玻璃纤维缠绕压力容器比一般同体积的钢制容器，质量轻40%~60%。

　　缠绕制品质量高而稳定，可以采用机械化或自动化生产，需要的操作工人少，缠绕速度快，生产效率高，适于大批量的生产。

　　先要在芯模上制作内衬层，制作内衬时首先是在芯模上缠绕一层聚酯树脂薄膜，再

　　涂上脱模剂，刷一层树脂，再缠绕聚酯毡（短切纤维）再缠绕一层网格布，缠绕网格布时要边刮胶边缠绕，其作用就是让树脂完全浸渍聚酯毡，内衬做好后要等待其进入凝胶状态，再进行纱团集束，浸渍树脂，进行结构层的缠绕，缠绕过程中同样要刮胶操作，其目的主要是压实，减少结构层的树脂含量，使得其结构层达到使用的压力降。在缠绕过程中要控制纱束的张力，保证贮罐的质量，缠绕完成后，进行固化，采用红外固化，固化完全后进行脱模，修整，再将其制品放入烘房进行后固化，最后得到成品[10]。

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　　生产准备场地：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15～35℃之间，后加工整修段，要设有抽风除尘和喷水装置。

　　②配胶量不能过多，每次配量要保证在树脂凝胶前用完。增强材料准备 增强材料的种类和规格按设计要求选择。

　　①干法铺层用预浸布为原料，先将预学好料（布）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。

　　②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。

　　手糊工具：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：从凝胶到三角化一般要24h，此时固化度达50%～70%（巴柯尔硬性度为15），可以脱模，脱后在自然环境条件下固化1～2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

　　②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。

　　④复杂制品可采用手工脱模方法：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。

　　因加热，会发生材质劣化，导致树脂封头耐腐蚀性下降，不适合不锈钢封头加工。

　　零部件是贮罐必不可少的部分。它主要涉及贮罐的开孔、补强、人孔、进出管设计、支座设计等。

　　由于工艺和结构上的需要，复合材料贮罐要有各种开孔，供工艺接管或零部件安装时使用。开孔的大小决定于开孔的用途，开孔的形状应该是圆形或长短轴比不超过2的椭圆形。用连续纤维制成的设备，再用机械方法切孔后，无凝会破坏纤维的连续性。纤维被切断，不单会削弱贮罐强度，而且由于结构连接性受破坏，壳体和接管变形不一致，在开孔和接管出将产生较大的附加内力分量。其中影响最大的是附加弯曲内力，局部地区的应力可达壳体壁基本应力的三倍以上。这种局部应力增长现象，称为应力集中。

　　大量实验表明，如果将连接处的接管或壳体壁厚适当加厚，上述局部区域的应力集中现象在很大程度上会得到缓和，应力集中系数有人可以控制在所允许的范围内。所谓“开孔补强设计”，就是指采取适当加厚接管或壳体壁厚的方法，使之达到提高壳壁强度，并把应力集中系数降低到某一允许数值的目的。

　　在实际工作中较多的采用局部补强形式。即在壳体开孔处的一定范围内将增加壳体的壁厚。补强设计方法可采用等面积补强发，即局部的符合材料截面积。也就是用的开孔相等截面的外加复合材料来补偿被消弱的壳壁强度[12]。

　　各种顶端封闭的直接排到大气的常压贮罐，必须开设能自由排气道大气中的排气孔。最小排气孔尺寸应该满足控制所有的联合入口或排出口的排气量，使封闭贮罐不产生正压或负压。

　　180~100mm。壳体与进出口管的链接部位，要求兼顾耐用，不渗漏。建议在管口处设置

　　3个或4个角撑板以提高接管强度。管口与壳体的链接课采用带塑料衬里的伸入式支管结构。手糊成型的法兰接管尺寸（如图4）和（表二）所示。有时进口管插入壳体50~80mm，除了祈祷增强作用外，并能避免腐蚀液体进入壳体内时沿着壳壁流淌，冲刷壳壁[13]。

　　手孔和人孔是为了检查设备的内部空间，对设备内部进行清洗、安装及拆卸内部结构而设置的。手孔通常是在短接管加一个盲板而构成。手孔的直径应使工人带上手套并握有工具是能方便地通过，股手孔直径不宜小于150mm。通常的手孔公称直径有DN150和DN250两种。

　　直径大于900mm的容器和贮罐应开设人孔，方便检修时工作人员能进入设备内部，及时发现内表面的腐蚀、磨损或裂纹，并进行修补。常用的人孔形式为圆形。人孔的处的构造处理应该按照大型接管一样处理，要充分注意连接处的加固。人孔的大小及其位置应以工作人员进出壳体方便为原则。人孔直径一般为450~600mm，颈高100~150mm。人孔尺寸如（表三）所示。深度大于3m的贮罐，应考虑设置两个人孔，一个在顶部，一个在紧靠罐基础上部以利于进出。人孔盖可以是平的，带有手柄；但也可以是盘形的。人孔一般设置角撑板[14]。

　　支座的支承位置是根据贮罐的总受力情况确定的。其弯矩应使正负最大弯矩相等为宜，即

　　由上表四可见，增大鞍座包角? 时，可以减小贮罐的环向应力，单鞍座变得笨重，

　　材料消耗增多；而过分减小包角，将使设备容易从鞍座上倾倒。在正常情况下，鞍座包角应在120°?? ?150°范围内。通常取?=120°。

　　确定支座的宽度时需要考虑支座的承载情况。支座的宽度应满足足以保证支座不产生分开的过大形变或破坏。此卧式贮罐采用双支座鞍式支座的通用支承形式。

　　卧式玻璃钢贮罐应安装在已经设计好的支承的支承支座上,并有足够的强度,以支承充满液体的贮罐。

　　卧式玻璃钢贮罐用起重机搬运,起吊钢索应连接到顶部吊环上,并用引导绳防止摆动。

　　用锁紧凸块将贮罐锚固在基础上。锁紧的凸块用垫片塞紧,以防压载移到罐壁上。

　　阀门、控制器及其他连接到贮罐接管上的重型部件都应单独支撑[15]。如图7-1：手糊成型法兰接管 如图7-2：人孔

　　如图7-4所示：进水、出水孔、人孔、液面计口、备用口的安放孔径和安放位置

　　区分裂缝的大小，大于0.15mm的裂缝采用“壁可法”,小于等于0.15mm的裂缝采用“封闭法”；

　　用砂轮机、钢丝刷打磨混凝土表面沿裂缝走向宽约5厘米范围，清除水泥翻沫、灰尘及疏松的混凝土块和砂粒，油污要用布蘸稀料擦净，如果潮湿要用风筒吹干；

　　将SHO-BOND#101封口胶的两种成分混合搅拌均匀，抹少许在注入座底面四边，将注入孔对正裂缝中心稍加力按压，使其从底面的四个小孔中挤出，注意不要堵塞注入孔，粘好后避免错动注入座。混凝土基底状况不好时可适当扩展座周围的粘结面积并对座进行包覆。根据裂缝的宽度和深度，沿缝的走向按30-40cm间距布置，裂缝分岔处应有注入座。

　　法兰是储罐上最重要的零件，其中边缘密封要求比较高，另外为了满足较高的连接强度，需要在法兰周边手糊上一层增强层，并且还要加上角板支撑板。

　　制品质量检验，主要是检验由于工艺因素影响及其尺寸、外观、静压、加压、硬度、树脂含量和残留苯乙烯进行检验，保证产品合格。

　　②生产过程中，胶液中的引发剂用量过大，反应速度过快，树脂固化过快，引起温度快速升高，体积急剧变化，使制品产生裂纹。

　　③铺层过厚。对于厚度较大的制品，不能一次糊制过厚，一般不应超过6mm，否则会因固化时产生的热量不易散出，导致局部过热发白，玻璃纤维和树脂之间粘结破坏，产生微裂纹。

　　④街头、拼缝粘结不佳在玻璃钢贮罐的粘结处，若有疏忽，就会造成粘结不牢固。在长期使用过程中，容易造成接缝处开裂，产生渗漏。

　　⑤金属预埋件表面处理不当。金属预埋件施工前应进行除锈、除污处理。如果处理不好，或在操作过程中重新污染，会使得玻璃钢和金属件之间产生剥离。

　　纤维增强塑料贮罐是复合材料制品最广泛应用的一种产品结构形式，主要用于储存各种腐蚀性液体、气体和粉末状物料，应用在石油、化工、冶金、造纸、城市供水等领

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