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：
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：p w=；支撑架距离L=460cm；介质密度：ρL=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=，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= 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E
=20Gpa，环向
φ
强度σb=330Mpa，强度设计安全系数取K f=6，许用应变[ε]=%，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，下空2cm，左空，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：p w=；支撑架距离L=460cm；介质密度：ρL=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
由内压引起的轴向应力σx=Pw（D+t）/4t （3-4）
δ=qL4/384E x I0≤（3-13）
t=P w D/（2[σy]?P w）=×20/（2[280/10]?）=≈
初选玻璃钢管壁厚为。
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t x=×20/（4×）=14/=
按轴向允许应力求得玻璃钢管壁厚为，大于按环向应力求得的壁厚，故管的厚度应取方为可靠。
刚度校核当管壁厚为时，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= 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。
(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≤200cm
q=rH (3-14)
当H＞200cm时，则
q=C dr B d （3-15）
式中r——回填土的密度，kg/ cm3；
B d——标准沟的宽度；
C d一一由管沟类型条件决定的载荷系数。
C d的计算式如下。
C d=√3（1-e-H/√3-Bd）（3-16）
式中B d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
当r= /cm3、H=200cm时，回填土的垂直静压力为q=×200= cm2≈。当H＞200cm，而q的计算值小于时，则仍应取q=。
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=，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= m3；基础支撑角2α=120°，在5%
=20Gpa，环向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E
φ
强度σb=330Mpa，强度设计安全系数取K f=6，许用应变[ε]=%，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
B d = 255cm
由式(3-14)计算得到垂直静土压
q=cm2≈
○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=，着地长度a=；由表3-18查得汽车动力系数K D=。则由式(3-17)计算得到一个双轮组引起的动压力为：
q d=cm2≈
○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｜M max｜=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t i。计算时不考虑夹砂层和内衬层的强度。
σy=pd m/2t1≤σb/K f
其中d m=D+t≈D。
t1=1×1400 × 6/2×330=
○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=cm3
基础系数K=0. 09
取变形滞后系数F=1. 5
r=D/2=70cm
○8总壁厚
t=t1+t0+t i=+7+2=
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）