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FRP玻璃鋼復合材料論壇

標題: 玻璃鋼實用技術-玻璃鋼結構設計基礎-技術普及貼（一） [打印本頁]

作者: yltfrp 時間: 2011-10-16 12:08
標題: 玻璃鋼實用技術-玻璃鋼結構設計基礎-技術普及貼（一）
寫這個帖子的時候想了很多，雖然我是做拉擠業務的，但是一些基礎性的東西必須要懂的，注冊這個賬號也是為了跟各位大蝦們學習玻璃鋼相關的知識，可是，在論壇里沒有很多系統的技術貼，也許是我孤陋寡聞吧。幾乎所有鄧海岸大俠的帖子我都拜讀過，對他也是非常之崇拜，網上找了幾本相關的資料，就在此寶地獻丑了，只是希望大家都能從中學習并交流，沒有別的意思，如果版主看著我的帖子對業界有不好的影響的話就把它刪除了，如果覺得有些用處的朋友就請跟帖吧，希望大家真心交流，共建和諧論壇，把咱這個論壇發揚光大。

一、材料的可設計性
玻璃鋼是由玻璃纖維、樹脂和填料所組成，它兼有結構材料和功能材料的特性，其組分中的纖維、樹脂和填料的性能、用最對玻璃鋼的性能影響很大，因此，  我們可以根據玻璃鋼使用條件對材料性能的要求，通過合理選材進行設計。
玻璃鋼性能設計分力學性能和物理化學性能兩部分內容。前者是根據產品所承受荷載的大小和方向，去選擇原材科的含量比例和纖維的鋪層形式。不同的原材科及其臺量比例和鋪層形式，構成了具有不同力學性能的玻璃鋼；后者則主要取決于原材樹本身的物理化學性能。
在力學性能方面，玻璃鋼可以設計成如下三種典型形式。
(一)準各向同性玻璃鋼
它可以由短切纖維的預混料和短纖維氈制成，也可以用玻璃布作0°，土45°，90°或0°，±60°，90°鋪設而成，這類玻璃鋼在鋪層平面內的各個方向有大致相同的性能，因其數值較低，對于一些強度和剛度要求不高或載荷不準確的產品可以使用這類玻璃鋼，如透明波形瓦，酸泵葉輪、汽車外殼等。
(二)正交平衡型玻璃鋼
這種類型玻璃鋼是由1：1玻璃布或單向布作0°，90°鋪設而成，在0°和90°兩個垂直方向上有相同的強度和剛度，數值較高，但在士45°方向上較弱，對于方形或近似于方形的平板、薄殼構件，可以采用這類玻璃鋼，但對于長寬比較大的板殼構件，還應該沒置±45°鋪層，這樣可以充分發揮纖維的作用，也可以提供較大的抗剪能力。
用無始粗紗布成型正交平衡型玻璃鋼極為方遍，目前中小型玻璃鋼廠所生產的產品幾乎都采用這類玻璃鋼制成，但是應該指出，這是一種不正常的現象，因為對有些產品采用正交平衡型鋪層不能很好地發揮纖維的作用，比如承受橫向荷載的梁，主要應力發生在梁的軸向，那么大部分的纖維也應該放置在軸向，如果用1：1無捻粗紗布正交鋪設成型  勢必造成橫向纖維的浪費，增加了粱的壁厚，這個問題呼吁過多年，應該引起人們的重視了。
(三)單向玻璃鋼
單向玻璃鋼是用單向布或股紗沿一個方向鋪設而成，在纖維方向有很高的強度和剛度，但在垂宜纖維的方向卻是很弱的，如單向擠拉棒，只有在載荷非常清楚的情況下才能使用這類材料，在設計這類構件時應特別謹慎小心，比如一根受彎的范壁圓管，由于彎矩的作用，主要應力發生在管軸方向，但是由于作用在軸向平面上的彎曲應力有壓扁范壁管的趨勢，產生了環向拉應力，如果圓管的橫向強度不夠時，就會使圓管沿軸向產生破裂，所以，在玻璃鋼結構設計中，次應力的影響是不能忽略的，在纖維鋪設不當時，次應力就有可能上升為主要矛盾。

二、結構形狀的選擇
如前所述，等代設計方法有時是可行的，有時不一定可行，例如用玻璃鋼去取代一個金屬的實心葉片，如果不改變原型就不可能到和金屬葉片同等的剛度，因為玻璃鋼的彈性模量比金屬小得多。因此在設計玻璃鋼葉片時，希望能選用較厚的葉型或空腹薄壁結構。在設計承壓構件時，金屬結構通常采用型鋼或型鋼的組合形式，如果用玻璃鋼去取代金屬承壓構件，有時也可以用金屬型材形式的玻璃鋼型材，但它的斷面要比金屬型材大，因為它的抗扭轉失穩能力差，因此用閉合截面的玻璃鋼型材要比開口截面型材好得多。
金屬構件的連接是很方便的，可以用焊接、鉚接和螺栓連接，玻璃鋼也可以采用鉚接和螺栓連接方式，但比金屬困難，因為它的剪切強度低，而且表現為脆性，打孔和敲擊易引起局部分層和破損。但玻璃鋼有成型材料的同時也成型了自身結構的特點，只要在設計時考慮周密一些，盡可能設計成整體結構，就可以減少連接上的困難，并同時減輕了結構的重量。再以輪渡碼頭用的跳板為例，木質跳板是實心板材，鋁合金跳板是梳子形的，如果這種跳板用玻璃鋼制成，它的斷面形式就要變動，采用木質跳板形式，成本太昂貴，采用鋁合金跳板的截面形式會產生根大的扭轉擺動，采用多格箱型截面就合適得多。總之，在滿足使用條件和用戶的認可下，設計越璃鋼產品時，不要受原來形狀的約束，要盡可能使產品的形狀有利于發揮這種玻璃鋼材料的長處，避免其短處。與此同時，還應注意到玻璃鋼的性能有強烈的方向性，即使結構形狀選擇是合理的，如果在產品成型時不注意控制纖維的方向，也可能導致產品的破壞。

三、材料的線彈性與強度的分散性
試驗表明，玻璃鋼的拉伸應力—應變關系曲線直到斷裂幾乎是線性的，不象鋼材那樣有明顯的塑性，因而它沒有緩和缺陷處高應力的能力，所以它的沖擊性能是較差的，給連接也帶來了困難。
由于纖維強度的分散性和成型工藝所致，玻璃鋼的性能表現了較大的分散性，應該從兩方面來對待這個問題，第—要承認分散性較大是客觀事實，要盡量排除人為的因素，如改善原材料的生產工藝和嚴格控制成型工藝，第二不要因此而非難玻璃鋼這種復合材料，材料性能的穩定與否與所選的指標有關，以3號鋼為例，它的拉仲強變在167兆帕(1700公斤力／厘米¬2)到412兆帕(4200公斤力／厘米2)之間變化，最大值與最小值相差約2．5倍，  取235兆怕(2400公斤力／厘米2)為3號鋼的屈服指標，  保證了99%以上的屈服極限是超過這個指標的，所以人們認為這個數值是可信的，如果把它的極限值定為294兆帕(3000公斤力／厘米2)，恐怕很多人也會認為3號鋼的性能不穩定了，因此對玻璃鋼這種材料，也需要根據不同的原材料及其含量和鋪層方式訂出一個性能指標來。但是玻璃鋼的性能是上述三個因素的復雜函數，要想制定一個無所不包的性能表格來，是非常困難的，只能對少數常用的類型訂出指標來，大多數的性能指標要根據特定材科的性能試驗來評價。
確定了極限值后，還需要選定一個安全系數，安全系數就是保險系數，用這個系數來保證結構正常安全工作，通常它有兩種表達形式，一是用材料的極限值與工作應力的比值來表示：
K=σ極限/σ工作
也可以用結構的實際工作荷載和結構所能承受的極限荷載來表示：
K=P極限/P工作
從上述兩個公式可以看出K總是一個大于1的數。對于纖維增強塑料的安全系數，英國標準包括有6項，K=3K1K2K3K4K5，3是基本安全因素；K1=1.4~1.3與生產方法有關；K2=1.2~2與時間有關；K3=1~1．25與工作溫度有關；K4=1.1~2與交變荷載有關，K5=1~1.5與固化制度有關；連乘的結果是從6到40，這樣大的安全系數，使纖維增強塑料輕質高強的優越性能接近消失，這說明研究工作還很不成熟，目前我國對玻璃鋼結構設計如何選用安全系數，尚無統一規范，一般可按下列情況參照選取。
正常環境條件 K＝2
短期靜載    K＝3
長期靜載    K＝4
交變荷載    K＝4~6
置復沖擊荷載 K＝10
根據縣體的成型工藝和工作條件的嚴峻程度，可以在上述參考值的基礎上稍許增大一點。如何正確地確定各種工作條件下玻璃鋼結構物的安全系數，值得進一步探討，需要所有從事玻璃鋼研究、設計和生產的工作者認真總結經驗，制定出我國的玻璃鋼結構設計規范。玻璃鋼結構設計除等代設計方法外，還有網格理論設計方法和復合材料力學設計方法，復合材料力學方法要求有較深的數學和力學基礎。

文章來源：青島易利通復合材料有限公司http://www.yltfrp.com/knowledge/

作者: yltfrp 時間: 2011-10-16 12:14
有時間我就會繼續更新的，希望對大家有所幫助，雖然我不是很懂技術，我只是個想和各位分享技術的人而已。希望大家和我一樣能學到些東西。

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