玻璃钢管道设计

《玻璃钢产品设计》课程任务报告书项目四玻璃钢管道设计复材141第11组项目负责人：项目组成员：起止时间：2016.4.5--2016.4.15指导老师：杨娟绵阳职业技术学院材料工程系2015-2016学年第2学期玻璃钢产品设计课程任务书班级复材141部门（组）第11组任务项目四一、任务题目：任务一：根据已知设计条件，合理设计玻璃钢架空管道。设计条件：管道内径d=200mm；工作压力：pw=0.7Mpa；支撑架距离L=460cm；介质密度：ρL=1.2t/m3；安全系数：K=10设计内容：1.合理选择原材料；2.设计管道生产壁厚；3.确定生产工艺方法。任务二：根据已知条件，设计埋地夹砂管道。设计条件：管道直径D=1400mm，埋深H=600mm，最大工作内压P=1.0Mpa，要求允许通过20t载重汽车。回填土为不紧固砂质粘土，其密度ρ土=0.0019kg/m3；基础支撑角2α=120°，在5%挠度下管的最小刚度等级大于2500Pa。管道结构缠绕层的环向弹性模量Eφ=20Gpa，环向强度σb=330Mpa，强度设计安全系数取Kf=6，许用应变[ε]=0.5%，容许径向挠度δ=5%。设计内容：确定管道的生产壁厚。二、任务内容和要求：（1）内容及要求：1.通过查阅资料选择玻璃钢管道各层所用的原材料；2.分析已知条件，初步确定管道壁厚；3.选择合适的生产工艺方法，并确定相应参数；（2）任务报告要求任务报告内容包括封面、任务书、正文、总结（收获体会）、参考文献。任务报告统一用A4纸打印，版面边距上空2.5cm，下空2cm，左空2.5cm，右空2cm；正文用宋体小四号字；页码底端居中，小五号字；行间距：固定值19磅。（3）进度要求：任务下达日期：2016年4月5日任务完成日期：2016年4月15日（4）其它要求各组成员必须服从组长安排，积极配合、认真完成下达任务并按时提交任务报告。任务一：根据已知设计条件，合理设计玻璃钢架空管道。设计条件：管道内径d=200mm；工作压力：pw=0.7Mpa；支撑架距离L=460cm；介质密度：ρL=1.2t/m3；安全系数：K=10设计内容：1.合理选择原材料；2.设计管道生产壁厚；3.确定生产工艺方法。1.合理选择原材料根据价格与性质选择增强材料为E玻纤，基体材料选择不饱和聚酯树脂191井，其内衬层选用乙烯基树脂，以达到耐温，耐酸碱的作用。2.设计管道生产壁厚按环向强度计算管壁厚度由表3-13取环向拉伸强度280MPa则环向许用应力[σy]=280/10。再由式（3-13）可求得管壁厚度。表3-13缠绕聚酯玻璃钢管物理力学性能项目数值项目数值密度/（g/cm3）环向拉伸强度/MPa环向拉伸模量/MPa轴向拉伸强度/MPa轴向拉伸模量/MPa环向弯曲强度/MPa环向弯曲模量/MPa轴向弯曲强度/MPa1.6~1.9230~300(1.7~2.6)×10485~160(0.8~1.3)×104130~230(0.9~1.3)×104100~150轴向弯曲模量/MPa水压失效应力/MPa冲击强度（J/cm2）热膨胀系数/[cm/（cm.。C）]导热系数/[w/（m.。C）]吸水率/%巴氏硬度(0.8~1.1)×104120~23019.0(11.2~19.6)×10-40.2670.2≥40由内压引起的轴向应力σx=Pw（D+t）/4t（3-4）δ=qL4/384ExI0≤6.5mm（3-13）t=PwD/（2[σy]−Pw）=0.72×20/（2[280/10]−0.7）=0.253cm≈2.6mm初选玻璃钢管壁厚为2.6mm。校核轴向强度由表3-13查得玻璃钢管轴向拉伸强度为85~160MPa，取100MPa。则安全系数取10时，允许应力为[σx]=100/10=10MPa。按式（3-4）求出管壁厚，当求得管壁厚大于2.5mm时，则应增加管壁厚度。将[σx]=Pw（D+t）/4t变换为t=PwD/（4[σx]-Pw）代入数值得出tx=0.7×20/（4×10-0.7）=14/39.3=0.36cm按轴向允许应力求得玻璃钢管壁厚为3.6mm，大于按环向应力求得的壁厚，故管的厚度应取3.6mm方为可靠。刚度校核当管壁厚为3.6mm时，按简支梁受均匀荷载计算，按式(3-14)求其最大挠度。管上的均匀荷载q等于玻璃钢管自重(玻璃钢的密度ρm=1.8t/m3)加输运介质重。即满足刚度条件。但根据玻璃钢管最小壁厚要求，管壁厚最终确定为4.4mm。(2)埋地管结构设计○1埋地管所受荷载埋地管承受的荷载有管道工作内压、回填土静土压和地面活荷载等。因管道内压与架空管相同，故这里只讨论回填土静土压和地面活荷载。a.回填土引起的静土压回填土对玻璃钢管壁产生的压力如图3-5所示。其压力与回填土的密度r，管道埋设深度Ho及埋管时控沟宽度有关。可用詹森（Janssen)公式计算。即当H≤200cmq=rH(3-14)当H＞200cm时，则q=CdrBd（3-15）式中r——回填土的密度，kg/cm3；Bd——标准沟的宽度；Cd一一由管沟类型条件决定的载荷系数。Cd的计算式如下。Cd=√3（1-e-H/√3-Bd）（3-16）式中Bd为标准沟的宽度。基础条件的种类和有效反作用力的支承角2a，如图3-6所示。表3-15为管径在200～200mm范围标准沟的宽度。表3-15标准沟的宽度公称直径/mm200250300350400450500600700800标准沟宽度Bd/cm70808590100105110135145160公称直径/mm90010001100120013501500165018002000标准沟宽度Bd/cm175185205220235255270290320当r=0.0018kg/cm3、H=200cm时，回填土的垂直静压力为q=0.0018×200=0.36kg/cm2≈0.036MP。当H＞200cm，而q的计算值小于0.036MPa时，则仍应取q=0.036MPa。3.确定生产工艺方法生产该管道采用缠绕工艺(1)内衬层制作；玻璃纤维环向和交叉缠绕，使用乙烯基附脂。（2）结构层制作：并将纤维进行螺旋、环向组合方式铺设，其螺旋方向缠绕承受轴向应力、环向缠绕则承受环向应力。(3)外衬层制作：玻璃纤维环向和交叉缠绕。管道设计为10-12m长，以便运输、安装。每根管道使用法兰连接。任务二：根据已知条件，设计埋地夹砂管道。设计条件：管道直径D=1400mm，埋深H=600mm，最大工作内压P=1.0Mpa，要求允许通过20t载重汽车。回填土为不紧固砂质粘土，其密度ρ土=0.0019kg/m3；基础支撑角2α=120°，在5%挠度下管的最小刚度等级大于2500Pa。管道结构缠绕层的环向弹性模量Eφ=20Gpa，环向强度σb=330Mpa，强度设计安全系数取Kf=6，许用应变[ε]=0.5%，容许径向挠度δ=5%。设计内容：确定管道的生产壁厚。解：○1静土压由管的直径，查表3-15可得标准沟宽Bd=255cm由式(3-14)计算得到垂直静土压q=0.114kg/cm2≈0.0114MPa○2动压力由表3-16查得20t载重汽车的后轴压力为13t，则单边双轮组压力为Pq=6500kg≈65kN由表3-16查得后轮着地宽度b=0.6m，着地长度a=0.2m；由表3-18查得汽车动力系数KD=1.05。则由式(3-17)计算得到一个双轮组引起的动压力为：qd=0.592kg/cm2≈0.0592MPa○3由静土压和动荷载引起的组合环向弯矩由式(3-21)、式(3-22)、式(3-23)、式(3-26)可以计算出单位长度管壁沿环向各点的弯矩，其最大弯矩为｜Mmax｜=261kg.cm/cm≈2610N·mm/mm○4由内压计算强度层的厚度设夹砂管的缠绕结构层厚度为t1，树脂夹砂层厚度为t0，内衬层厚度取t1=2mm，总壁厚t0=t1+to十ti。计算时不考虑夹砂层和内衬层的强度。σy=pdm/2t1≤σb/Kf其中dm=D+t≈D。t1=1×1400×6/2×330=12.7mm○5在内压和静、动荷载组合条件下校核管壁的环向弯曲应变管壁结构如图3-13所示，单位长度管壁的惯性矩I=[（t1+t0）3-t03]/12组合应变：代人已知参数，得夹砂层厚度：t0=7mm○6径向挠度校核查表3-19和表3-20，得出土的被动阻力系数e=0.4kg/cm3基础系数K=0.09取变形滞后系数F=1.5r=D/2=70cm○8总壁厚t=t1+t0+ti=12.7+7+2=21.7mm总结通过对玻璃钢管道设计的学习，使我们明确了如何分析和如何选择原材料，知道了复合材料制品设计步骤，还有结构设计的原则，设计管道时应考虑的工艺性要求，这位我们以后实训打下了基础。和小组同学一起做任务，一起学习，体会到了共同学习，共同进步的乐趣，同时感受到了团队的重要性，通过任务，让我们对知识了解得更加清楚了。参考文献（《复合材料制品设计及应用》化学工业出版社）