玻璃钢管道设计_材料科学_工程科技_专业资料。玻璃钢管道设计实例,有关玻璃钢管道的壁厚、所受荷载计算以及原材料的选择等。

  《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:ρ L=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 2 α =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ζ b=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: 任务完成日期: (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。 2016 年 4 月 5 日 2016 年 4 月 15 日 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:ρ L=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 缠绕聚酯玻璃钢管物理力学性能 项 目 数 值 4 [ζ y]=280/10。再由式(3-13)可求得管壁厚度。 表 3-13 项 目 3 数 1.6~1.9 230~300 值 密度/(g/ cm ) 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/MPa 轴向弯曲模量/MPa 水压失效应力/MPa 4 (0.8~1.1) ×10 120~230 19.0 。 (1.7~2.6) ×10 85~160 (0.8~1.3) ×10 130~230 (0.9~1.3) ×10 100~150 冲击强度(J/ cm ) 热膨胀系数/[cm/(cm. C)] 2 (11.2~19.6) ×10 0.267 0.2 ≥40 -4 4 导热系数/[w/(m. C)] 吸水率/% 。 4 巴氏硬度 由内压引起的轴向应力 ζ x=Pw(D+t)/4t δ =qL /384ExI0≤6.5mm 4 (3-4) (3-13) t=PwD/(2[ζ y]?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[ζ x]=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 变换为 代入数值得出 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ρ m=1.8t/ m3)加输运介质重。即 [ζ x]=Pw(D+t)/4t t=PwD/(4[ζ x]-Pw) 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 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 ○ a.回填土引起的静土压 即当 H≤200cm q=rH 当 H>200cm 时,则 q=CdrBd 式中 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) 式中 反作用力的支承角 2a,如图 3-6 所示。 (3-16) Bd 为标准沟的宽度。基础条件的种类和有效 (3-15) r——回填土的密度,kg/ cm3; (3-14) 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 回填土对玻璃钢管壁产生的压力如图 3-5 所示。其压力与 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。 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。 表 3-15 为管径在 200~200mm 范围标准沟的宽度。 表 3-15 公称直径/mm 标准沟宽度 Bd/cm 公称直径/mm 标准沟宽度 Bd/cm 200 70 900 175 250 80 1000 185 300 85 1100 205 350 90 1200 220 标准沟的宽度 400 100 1350 235 450 105 1500 255 500 110 1650 270 600 135 1800 290 700 145 2000 320 800 160 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 2 α =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ζ b=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/cm ≈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 2 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 ζ y=pdm/2t1≤ζ b/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: 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。 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 基础系数 取变形滞后系数 K=0. 09 F=1. 5 r=D/2=70cm e=0.4kg/cm3 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,和记娱乐手机app,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)