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玻璃钢软化水箱设计
发布时2016-09-05 13:3825
前 言
玻璃钢水箱是指用玻璃钢做为原材料加工而成的水箱。玻璃钢具有轻质高强、可设计性强和耐水性优良等特点，所以被广泛应用于工矿企事业单位、民用住宅、宾馆、饭店等公共建筑，作为生活用水、消防用水以及水质要求较高的食品、医药、卫生等行业必备的贮水设施。玻璃钢水箱成为玻璃钢工业产量中较大的一种产品。玻璃钢水箱解决了混凝土水箱重量大、易渗漏、易长青苔和钢板水箱易锈蚀、防锈涂层脱落污染水质等问题，具有水质好、无渗漏、重量轻、外形美观、使用寿命长和安装方便等优点。用FRP复合材料制造水箱，有如下优点：①耐水的腐蚀，不会生锈；②无金属离子，不会污染水质，特别适用于贮存去离子洁净水；③不会生青苔及其它微生物；④自重轻、可提高贮存水效率；⑤成型制造方便可在工厂预先制成板块，在现场快速安装，在长期使用过程中无需定期停产维修。因此特别受到制药、电子、半导体行业欢迎并广泛使用。它的唯一缺点是首次投资较水泥、钢材贵。
玻璃钢水箱按造型可分为球形、圆筒形和方形三种；按结构构造可分为整体式、组装整体式和组合式三种；按制造工艺分为手糊成型和SMC模压成型两种。由于社会的发展和玻璃钢水箱的性能的优越性，玻璃钢水箱得到越来越多的应用。我国早在20世纪70年代就有玻璃钢水箱出现。近年来，由于玻璃钢技术上的突破，玻璃钢水箱已经在我国大部分地方推广利用。根据目前的实用情况,本文着重讨论了整体式圆筒形玻璃钢水箱的造型设计、性能设计、结构设计、工艺设计、安装、及检验等各方面[1]。
本课程设计的题目为玻璃钢圆筒形水箱，水箱容积V=6.5m3，介质为生活用水，安装位置为建筑物顶上，离地面50m（露天），设计过程可分为造型设计、性能设计、结构设计、零部件设计、工艺设计、安装连接及检验方法。
2 性能设计
2.1 原材料的选择原则
(1) 比强度，比刚度高的原则
(2) 材料与结构的使用环境相适应的原则
(3) 满足结构特殊性能的原则
(4) 满足工艺要求的原则
(5) 成本低效益高的原则
2.2树脂基体的选择
树脂的选择按如下要求选取[2]：
(1) 要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作；
(2) 要求基体材料具有一定的力学性能；
(3) 要求基体材料的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率；
(4) 要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能；
(5) 要求基体材料具有一定的公益性。
玻璃钢制品所用的树脂原料有：聚酯、环氧、酚醛、呋喃树脂及改性树脂等。目前可供选择的的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺是指、酚醛树脂和聚酯树脂。连一类为热塑性树脂，如聚醚醚酮、尼龙、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺等。
目前树脂基复合材料中用得较多的基体是热固性树脂，它们有较高的力学性能，但工作温度低。对于需耐高温的复合材料，主要是用聚酰亚胺作为基体材料，目前较新的树脂基体有双马来酰胺、聚醚醚酮等，能满足一般高温的要求，且韧性好，有较大的复合材料强度许用值。
表2.1 四种玻璃钢常用树脂特性比较
2.3增强材料的选择
目前已有多种纤维可作为复合材料的增强材料，如加各种玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维等，有些纤维已经有多种不同性能的品种。
选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维。
工程上通常选用玻璃纤维、凯夫拉纤维或者碳纤维作为增强材料[3]。对于硼纤维，由于它的刚度大和直径粗，弯曲半径大，成型困难，所以应用范围收到很大的限制。所以，在生产中一般以玻璃纤维为主。
表2.2 几种常用典型玻璃纤维的性能比较
表2.3 几种常用玻璃纤维力学性能
2.4水箱结构的材料性能
玻璃钢水箱可分为三层结构，即内衬层、结构层和外表层。其功能各为：内衬层主要起防腐、防渗作用；结构层承受荷载引起的各种应力；外保护层则用于防自然老化和摩擦碰撞。
根据上述介绍的基体材料和增强材料的选择原则及表格中性能比较对三层材料进行不同的设计，如下：
2.5辅助材料的选择
（1）引发剂：是指在聚合反应中能使单体分子或线型分子链中含有双键的低分子活化而成为游离基，并进行连锁反应的物质。
不饱和聚酯树脂一般可以通过引发剂(或光或其它引发方式等)与交联剂分子中的双键发生自由基共聚反应，使线型分子交联或具有网状结构的体型分子。采用引发剂固化树脂时，在配以适当的促进剂后可有效地控制反应速度
（2）固化剂是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程，固化是通过添加固化（交联）剂来完成的。可以选用环氧固化剂。
（3）促进剂与催化剂或固定剂并用时，可以提高反应速率的一种用量较少的物质。性质：本品为白色粉末，加热至200℃即升华并分解，常温时能用明火点燃，难溶于乙醚、芳香烃等。
3 结构设计
水箱结构设计主要通过结构强度、刚度计算来确定结构尺寸。设计要求是外形美观、施工方便、整体组装拆卸容易。
3.1水箱荷载分析
3.1.1设计载荷
(1) 静水压：
设计静水压，按水箱内的最高水位决定。静水压参照表3.1取值[4]。
表3.1 静水压取值
表3.2 雪荷载取值
(3.1.2荷载组合
荷载组合按建筑规范最不利情况计算[5]。
3.1.3安全系数
安全系数的确定，可参照钢结构或混凝土结构设计标准[5]。强度计算的安全系数参照表3.3取值。
表3.3 强度计算的安全系数
3.1.4强度计算项目
(1) 水箱主体
水箱的强度计算项目见表3.4
表3.4 水箱的强度计算项目
(2)水箱基础计算
水箱基础按荷载条件对表3.5所列项目进行强度和变形计算、校核。
表3.5 水箱基础计算项目
3.2水箱壁厚设计
由理论值来确定壁厚[6]：
立式圆筒形水箱在容水时，z轴向应力为零仅有圆周向拉应力б：
表3.6 立式储罐及罐顶一定距离外侧面和底面的最小厚度/mm
3.4箱底部位应力及变形的计算
设支撑台架长方形部分长边的长度为a，短边的长度为b，x-y坐标的原点在长方形的中心位置。由静水压产生的最大弯矩、最大弯曲应力和最大挠度值，可分别由下式计算：
表3.7 等分布压力作用下周边固定支撑长方形板的α，β值[8]
对箱底部分支撑台架的尺寸参数为r1=25cm，r2=R=100cm，a=80cm，b=40cm，a/b=2，由表4.7查得α=0.00254，β=-0.0829，ps=0.016MPa，将以上参数代入箱底部的应力和挠度值，并与需用值比较，进行安全性评价。
3.5稳定性的计算
当水箱承受的压力达到某一临界值时，水箱虽不至破坏，但会失稳该应力值就是屈曲临界应力。对水箱进行结构设计时，需要计算屈曲临界应力，再进行比较，以确定水箱结构的稳定性，由弯距产生的箱体部的屈曲临界应力按以下公式计算[9]： 4 零部件的设计
零部件的设计包括进水孔、出水孔、人孔、人梯、排污孔、气孔、溢流孔、等的设计，采用法兰连接[11]。
4.1人孔及人孔盖
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。人孔直径为R=740mm，位置在顶盖中间，需要再制作一人孔盖，人孔盖半径为R1=840mm，法兰厚度为9mm，螺孔分布圆直径为800mm，采用螺栓连接，螺栓孔径为30mm。
表4.1 圆筒形水箱设计标准
4.2进水孔
高度为210cm处，进水管直径为50mm，采用法兰连接。
4.3溢流孔
高度为200cm处，孔径大小为D=60mm,采用法兰连接。
4.4出水孔
高度为20cm处，孔径大小为D=65mm，采用法兰连接。
4.5气孔
孔径为R=50mm，位置在人孔盖的中间，采用法兰连接。
4.6排污孔
孔径为D=50mm，采用法兰连接。
4.7法兰
（1）模具准备：包括清理、组装及涂脱模剂（黄油，聚酯薄膜）等；
（2）树脂胶液配制的配制，增强材料准备；
（3）糊制与固化：采用手工铺层糊制湿法成型，直接在模具上铺放增强材料，后浸胶，一层一层地紧贴在模具上，扣除气泡，使之密实。分为胶衣层糊制和结构层糊制。
（4）脱模和修整。
4.8人梯
容积在10m³以上的水箱应设有内外人梯。延桶身壁设计一个宽30cm，高200cm的内外人梯。
4.9水位控制器
电子式水位开关（BZ2401或BZ0501）和搭配的水位控制器(BZ201、BZ202)来控制水位的高低，控制器A放在233.3cm除，另一控制器位置在出水口的位置高度。
5 工艺设计
玻璃钢水箱的制作工艺分为喷射成型工艺、缠绕成型工艺、手糊成型工艺和SMC模压成型工艺等。手糊成型法是一种低压成型法，它适用于制造形状较复杂以及非定型制品，且操作简便、专用设备少、适用性强[10]。在这里，我采用手糊成型工艺。
5.1 喷射成型工艺
喷射成型工艺是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻纤粗纱，由喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积到模具上，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成制品。
喷射成型机分压力罐式和泵供式两种：①泵式供胶喷射成型机，是将树脂引发剂和促进剂分别由泵输送到静态混合器中，充分混合后再由喷枪喷出，称为枪内混合型。树脂泵和助剂泵由摇臂刚性连接，调节助剂泵在摇臂上的位置，可保证配料比例。在空压机作用下，树脂和助剂在混合器内均匀混合，经喷枪形成雾滴，与切断的纤维连续地喷射到模具表面。②压力罐式供胶喷射机是将树脂胶液分别装在压力罐中，靠进入罐中的气体压力，使胶液进入喷枪连续喷出。工作时，接通压缩空气气源，使压缩空气经过气水分离器进入树脂罐、玻纤切割器和喷枪，使树脂和玻璃纤维连续不断的由喷枪喷出，树脂雾化，玻纤分散，混合均匀后沉落到模具上。
5.2 缠绕成型工艺
缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。
缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备，对缠绕机的要求是：①能够实现制品设计的缠绕规律和排纱准确；②操作简便；③生产效率高；④设备成本低。
5.3 手糊成型工艺
手糊成型工艺使用的原材料包括玻璃纤维织物、合成树脂、助剂等，用手工作业把玻璃纤维织物和树脂交替铺层在模具上，然后固化成型为玻璃钢制品的工艺。
手糊工艺成型是复合材料最早的一种成型方法，尽管这种成型方式比较原始，并且在现在这个经济飞速发展的年代，新的工艺方法不断出现。但是手糊成型工艺具有一些独特的、不可替代的特点，所以至今仍然作为一种主要的玻璃钢成型工艺，特别是在我们国家，大多数工厂和大多数产品都采用这种方法生产。手糊成型具有以下优点[12]：
①手糊成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；
②设备简单，投资少，见效快。适合我国乡镇企业的发展；
③工艺简便，生产技术易掌握，只需经过短期培训即可进行生产；
④易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料；
⑤制品树脂含量高，耐腐蚀性好。
手糊成型的合成树脂，由于成型压力低，所以采用食品级不饱和聚脂树脂，因为这类树 脂在固化过程中仅排放相当少低分子聚合物。对树脂性能的基本要求是流动性能好，易浸润玻纤织物，此外，在树脂中加入一定量的(树脂量的1～5)触变剂，可减少树脂在垂直面上的下流。
手糊成型工艺流程如图：
图5.1 水箱手糊工艺流程图
手糊成型具体过程如下[13]：
(1)玻璃纤维及其织物的准备。玻璃纤维布首先要进行热处理去除纤维表面的蜡，然后按要求裁剪，玻璃布的裁剪要与以后的铺放紧密配合，否则将难以得到质量优良的制品。
(2)配胶。按制品的性能要求选择树脂，胶液配制的控制指标是流动性(粘度)及凝固时问。每次配胶量不宜过多，以免胶凝不好操作。
(3)模具的准备。手糊成型时均采用木模，为脱模方便，在模具表面要涂脱模剂。
(4)糊制成型。糊制是在模具上先涂上一层胶衣树脂，然后铺放一层玻璃布，用工具贴在 玻璃布上以排除气泡。重复上述操作，直至达到所需厚度。环境温度对树脂固化影响很大，一般要求环境温度不低于15℃，湿度不大于80℃。
(5)固化、脱模、修饰。固化为常温固化，制品经24小时后，固化大致完成。脱模后放置5～6天，使之充分固化，然后进行去毛边等修饰工作，最后组装成所要设计的玻璃钢水箱。
5.4模具制作
模具是手糊成型工艺的主要工具。合理选择模具对保证产品质量和降低成本关系很大。模具选择包括确定结构形式和选择材料两部分内容[14]。
（1）模具结构 根据玻璃钢水箱的结构特点，一般选用单模成型。为保证玻璃钢水箱外表面光滑美观，宜采用阴模成型。为了便于脱模箱体采用拼装式模具。根据箱体结构特点，圆柱形水箱模具一般分为3块，沿120°角分模。为了在脱模时不损毁制品表面，不论是箱顶、箱底、还是箱体模具，每块模具上都装有顶出机构，顶出机构采用螺杆顶块装置在，顶埋在模具上。
（2）模具材料 根据玻璃钢水箱的特点，模具材料一般选用玻璃钢复合材料制作。成型面涂胶衣树脂，胶衣树脂内参入黑色色浆。增强材料选用0.4mm或0.6mm厚无捻粗纱方格布，树脂选用通用型不饱和聚酯树脂。母模可采用水泥砂浆制作，也可利用已有的玻璃钢水箱制品做为母模，在上面翻制模具。
（3）模具成型 模具的制作工序如下：
母模的制作→母模的表面处理→安装顶块→打脱模剂→涂刷胶衣→糊制玻璃钢→安支撑钢架→固化→脱模→表面打磨抛光→修整法兰边
6 安装与连接
一般水箱有二种支承方法：一是直接放置在水泥混凝土平台上，二是水箱放置在矩型钢构桁架上，钢构桁架再由条混凝土支承在地面上或高架上。
（1）水泥混凝土连续支撑：将水箱放置在钢筋混凝土基础平台上时，为了使箱底的载荷均衡地传给基础上，以及使箱底应变均衡、受力均匀，本设计采用了一种特殊结构，即在水泥基础平台上抹一厚约5～10mm的特殊树脂砂浆。未固化但凝胶时将箱底放上，调水平固化后，该层又具有一定的弹性，保证箱底受到的载荷均衡地传递给基础[15]。
（2）矩形钢构桁架支承：钢构桁架由100×50mm镀锌槽钢制造，孔格宽度太小，浪费钢材；太大，又会增大板厚。一般取100×100厘米。
图6.1 水箱放置在弹性水泥平上
人孔及接管法兰的安装它们可以待水箱整体拼装完成后再按图示位置现场开孔安装，也可在板块拼装前预先将人孔接管法兰安装在特定板块上，前者位置较准确，但施工较困难，后者定位误差较大，可能运输不便（运输过程中被碰坏）。可二者相结合，即箱顶部分的人孔接管法兰先在工厂安装好，侧壁部分到现场箱体拼装完成后再进行安装。此外，所有人孔、接管法兰的安装，都应按国家标准进行三角撑板加强和内外补强。
7 检验方法
7.1出厂检验
7.1.1检验项目
（1）每块单板须进行外观检验，每台水箱须进行外观、渗漏性检验。
（2）每批单板须对外观尺寸进行抽样检验[16]。
7.1.2抽样方案
以相同外形尺寸、相同材料及工艺连续生产的1000块单板为一批，采用正常检验一次抽样方案，抽样方案如表7.1。
表7.1 抽样方案
7.1.3判定规则
（1）外观不符合质量要求的单板，判为不合格品。
（2）抽样检查单板外形尺寸时，如所抽五块单板均符合要求判该批单板外形尺寸合格：如有一块不符合要求，判为该批单板外形尺寸不合格。
（3）水箱外观、渗漏性均符合要求，判水箱合格；如不符合要求允许修复。
7.2型式检验
7.2.1检验条件
有下列情况之一时，应进行型式检验：
单板外观、外形尺寸、理化性能指标在邻近周期检查时组装的一台水箱上进行。
7.2.3水箱检验
水箱外观、结构、性能的检验在邻近周期检查时组装的一台水箱上进行。
7.2.4判定规则
每项检验均符合要求时，判型式检验合格，否则判型式检验不合格。
小结
本课程设计的题目为玻璃钢圆筒形水箱，水箱容积V=6.5m3，介质为生活用水，安装位置为建筑物顶上，离地面50m（露天），设计过程可分为造型设计、性能设计、结构设计、零部件设计、工艺设计、安装连接及检验方法。
综合上文所述，设计箱体直径2R=200cm，高H=220cm，水位高h=207cm。水箱内表面食品级不饱和树脂，增强材料选用无碱玻璃纤维毡和短切毡；结构层选用无碱玻璃纤维无捻粗纱，通用型191不饱和树脂聚酯；外保护层选用196不饱和聚酯树脂。通过结构设计及校核确定水箱设计安全。工艺设计中手糊成型法是一种低压成型法，它适用于制造形状较复杂以及非定型制品，且操作简便、专用设备少、适用性强，在这里，我采用手糊成型工艺。经过正确安装连接并出厂检验和型式检测合格后，即可投入使用。
参考文献
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玻璃钢水箱是指用玻璃钢做为原材料加工而成的水箱。玻璃钢具有轻质高强、可设计性强和耐水性优良等特点，所以被广泛应用于工矿企事业单位、民用住宅、宾馆、饭店等公共建筑，作为生活用水、消防用水以及水质要求较高的食品、医药、卫生等行业必备的贮水设施。玻璃钢水箱成为玻璃钢工业产量中较大的一种产品。玻璃钢水箱解决了混凝土水箱重量大、易渗漏、易长青苔和钢板水箱易锈蚀、防锈涂层脱落污染水质等问题，具有水质好、无渗漏、重量轻、外形美观、使用寿命长和安装方便等优点。用FRP复合材料制造水箱，有如下优点：①耐水的腐蚀，不会生锈；②无金属离子，不会污染水质，特别适用于贮存去离子洁净水；③不会生青苔及其它微生物；④自重轻、可提高贮存水效率；⑤成型制造方便可在工厂预先制成板块，在现场快速安装，在长期使用过程中无需定期停产维修。因此特别受到制药、电子、半导体行业欢迎并广泛使用。它的唯一缺点是首次投资较水泥、钢材贵。
玻璃钢水箱按造型可分为球形、圆筒形和方形三种；按结构构造可分为整体式、组装整体式和组合式三种；按制造工艺分为手糊成型和SMC模压成型两种。由于社会的发展和玻璃钢水箱的性能的优越性，玻璃钢水箱得到越来越多的应用。我国早在20世纪70年代就有玻璃钢水箱出现。近年来，由于玻璃钢技术上的突破，玻璃钢水箱已经在我国大部分地方推广利用。根据目前的实用情况,本文着重讨论了整体式圆筒形玻璃钢水箱的造型设计、性能设计、结构设计、工艺设计、安装、及检验等各方面[1]。
本课程设计的题目为玻璃钢圆筒形水箱，水箱容积V=6.5m3，介质为生活用水，安装位置为建筑物顶上，离地面50m（露天），设计过程可分为造型设计、性能设计、结构设计、零部件设计、工艺设计、安装连接及检验方法。
2 性能设计
2.1 原材料的选择原则
(1) 比强度，比刚度高的原则
(2) 材料与结构的使用环境相适应的原则
(3) 满足结构特殊性能的原则
(4) 满足工艺要求的原则
(5) 成本低效益高的原则
2.2树脂基体的选择
树脂的选择按如下要求选取[2]：
(1) 要求基体材料能在结构使用温度范围内正常工作；
(2) 要求基体材料具有一定的力学性能；
(3) 要求基体材料的断裂伸长率大于或者接近纤维的断裂伸长率；
(4) 要求基体材料具有满足使用要求的物理、化学性能；
(5) 要求基体材料具有一定的公益性。
玻璃钢制品所用的树脂原料有：聚酯、环氧、酚醛、呋喃树脂及改性树脂等。目前可供选择的的树脂主要有两类：一类为热固性树脂，其中包括环氧树脂、聚酰亚胺是指、酚醛树脂和聚酯树脂。连一类为热塑性树脂，如聚醚醚酮、尼龙、聚苯乙烯、聚醚酰亚胺等。
目前树脂基复合材料中用得较多的基体是热固性树脂，它们有较高的力学性能，但工作温度低。对于需耐高温的复合材料，主要是用聚酰亚胺作为基体材料，目前较新的树脂基体有双马来酰胺、聚醚醚酮等，能满足一般高温的要求，且韧性好，有较大的复合材料强度许用值。
表2.1 四种玻璃钢常用树脂特性比较
| 特性 | 环氧树脂 | 聚酯树脂 | 酚醛树脂 | 呋喃树脂 |
|
耐酸性 耐碱性 耐水性 耐溶剂性 耐热性 机械性能 电气性能 固化时挥发物 固化收缩率 成型压力 最大优点 最大弱点 价格 |
较好 较好 最好 一般 较低（125℃） 好 最好 无 小 低→中 机械性能好 不易脱模 高 |
一般 差 很好 差 低（60～120℃） 好 好 无 大 低→中 工艺性好 收缩大 低 |
好 差 很好 好 较高(150℃) 较好 好 有 较大 低→高 耐酸 性脆 较低 |
好 好 好 好 高(200℃) 较好 好 有 较大 低→高 耐酸耐碱 工艺性差 较低 |
2.3增强材料的选择
目前已有多种纤维可作为复合材料的增强材料，如加各种玻璃纤维、凯夫拉纤维、氧化铝纤维、硼纤维、碳纤维等，有些纤维已经有多种不同性能的品种。
选择纤维类别，是根据结构的功能选取能满足一定的力学、物理和化学性能的纤维。
工程上通常选用玻璃纤维、凯夫拉纤维或者碳纤维作为增强材料[3]。对于硼纤维，由于它的刚度大和直径粗，弯曲半径大，成型困难，所以应用范围收到很大的限制。所以，在生产中一般以玻璃纤维为主。
表2.2 几种常用典型玻璃纤维的性能比较
| 玻璃纤维种类 | 耐水性 | 耐酸性 | 耐碱性 | |
|
沸水煮1h后 失重/ % |
试验后水的 电阻/Ω |
在硫酸沸液煮1h失重/% | 在氢氧化钠煮沸1h失重/% | |
|
无碱玻璃纤维 中间玻璃纤维 高碱玻璃纤维 |
1.7 0.13 11 |
10000 72000 2500 |
48.2 0.1 6.2 |
9.7 — 12.0～15.0 |
表2.3 几种常用玻璃纤维力学性能
| 玻璃纤维种类 | 无碱玻璃纤维 | 中碱玻璃纤维 | 高碱玻璃纤维 | 耐碱玻璃纤维 | 高强玻璃纤维 |
密度/(g/ )单丝拉伸温度/MPa |
2.54 2137 |
2.49 1767 |
2.5 1286 |
2.78 1900 |
2.49 2764 |
2.4水箱结构的材料性能
玻璃钢水箱可分为三层结构，即内衬层、结构层和外表层。其功能各为：内衬层主要起防腐、防渗作用；结构层承受荷载引起的各种应力；外保护层则用于防自然老化和摩擦碰撞。
根据上述介绍的基体材料和增强材料的选择原则及表格中性能比较对三层材料进行不同的设计，如下：
- 内衬层
- 结构层
- 外保护层
2.5辅助材料的选择
（1）引发剂：是指在聚合反应中能使单体分子或线型分子链中含有双键的低分子活化而成为游离基，并进行连锁反应的物质。
不饱和聚酯树脂一般可以通过引发剂(或光或其它引发方式等)与交联剂分子中的双键发生自由基共聚反应，使线型分子交联或具有网状结构的体型分子。采用引发剂固化树脂时，在配以适当的促进剂后可有效地控制反应速度
（2）固化剂是一类增进或控制固化反应的物质或混合物。树脂固化是经过缩合、闭环、加成或催化等化学反应，使热固性树脂发生不可逆的变化过程，固化是通过添加固化（交联）剂来完成的。可以选用环氧固化剂。
（3）促进剂与催化剂或固定剂并用时，可以提高反应速率的一种用量较少的物质。性质：本品为白色粉末，加热至200℃即升华并分解，常温时能用明火点燃，难溶于乙醚、芳香烃等。
3 结构设计
水箱结构设计主要通过结构强度、刚度计算来确定结构尺寸。设计要求是外形美观、施工方便、整体组装拆卸容易。
3.1水箱荷载分析
3.1.1设计载荷
(1) 静水压：
设计静水压，按水箱内的最高水位决定。静水压参照表3.1取值[4]。
表3.1 静水压取值
| 项 目 | 数 值 | ||||
| 水箱高度/m | 1.0 | 1.5 | 2.0 | 2.5 | 3.0 |
| 最高水位/m | 0.7 | 1.2 | 1.6 | 2.1 | 2.6 |
| 静水压值/MPa | 0.007 | 0.012 | 0.016 | 0.021 | 0.026 |
表3.2 雪荷载取值
| 最大积雪深度/cm | 每1cm厚雪质量/(kg/m2) | 计算取值/(kg/m2) |
| 30以内 | 1.0 | 30 |
| 50以内 | 1.5 | 75 |
| 100以内 | 2.0 | 200 |
(3.1.2荷载组合
荷载组合按建筑规范最不利情况计算[5]。
3.1.3安全系数
安全系数的确定，可参照钢结构或混凝土结构设计标准[5]。强度计算的安全系数参照表3.3取值。
表3.3 强度计算的安全系数
| 名称 长期荷载 短期荷载 |
|
水压 8 4 挡板 应力 4 2.5 |
|
其他玻璃钢 3 2 补强零件 聚氯乙烯 3 2 聚乙烯 4.5 2 |
3.1.4强度计算项目
(1) 水箱主体
水箱的强度计算项目见表3.4
表3.4 水箱的强度计算项目
| 项目 | 检验内容 | |
| 侧壁 | 静水压、变动水压、剪切、风压 | |
| 挡板 | 底板 | 静水压、变动水压、剪切、风压 |
| 顶板 | 雪荷载、人荷载 | |
| 补强材料 | 内部补强 | 静水压、变动水压、雪荷载、人荷载 |
| 外部补强 | 静水压、变动水压、风压 | |
| 水箱安装处 | 地震荷载、风压 | |
| 配管部件 | 地震荷载 | |
(2)水箱基础计算
水箱基础按荷载条件对表3.5所列项目进行强度和变形计算、校核。
表3.5 水箱基础计算项目
| 项目 | 荷载条件 | 标准 |
| 基座变形 | 静水压、雪荷 | 最大变形小于5mm |
| 基座梁应力 | 静水压、雪荷、地震荷载、风压 | 不超过许应应力 |
| 地脚的应力 | 静水压、雪荷、地震荷载、风压 | 不超过许应应力 |
| 支承的应力 | 静水压、雪荷、地震荷载、风压 | 不超过许应应力 |
| 底座、拉杆及其他 | 静水压、雪荷、地震荷载、风压 | 不超过许应应力 |
3.2水箱壁厚设计
由理论值来确定壁厚[6]：
立式圆筒形水箱在容水时，z轴向应力为零仅有圆周向拉应力б：
表3.6 立式储罐及罐顶一定距离外侧面和底面的最小厚度/mm
| 距罐顶的侧壁外距离/m |
储罐直径/m |
|||
| 1.8 | 2.1 | 2.4 | 2.7 | |
|
0.6 1.2 1.8 2.4 3.0 3.6 |
4.8 4.8 4.8 4.8 6.4 6.4 |
4.8 4.8 4.8 6.4 6.4 6.4 |
4.8 4.8 4.8 6.4 6.4 6.4 |
4.8 4.8 4.8 6.4 6.8 8.0 |
3.4箱底部位应力及变形的计算
设支撑台架长方形部分长边的长度为a，短边的长度为b，x-y坐标的原点在长方形的中心位置。由静水压产生的最大弯矩、最大弯曲应力和最大挠度值，可分别由下式计算：
表3.7 等分布压力作用下周边固定支撑长方形板的α，β值[8]
| a/b | α | β | a/b | α | β |
|
1.0 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 |
0.00126 0.00150 0.00172 0.00191 0.00207 0.00220 |
-0.0513 -0.0581 -0.0639 -0.0683 -0.0726 -0.0757 |
1.6 1.7 1.8 1.9 2.0 ∞ |
0.00230 0.00238 0.00245 0.00249 0.00254 0.00260 |
-0.0780 -0.0799 -0.0812 -0.0822 -0.0829 -0.0833 |
对箱底部分支撑台架的尺寸参数为r1=25cm，r2=R=100cm，a=80cm，b=40cm，a/b=2，由表4.7查得α=0.00254，β=-0.0829，ps=0.016MPa，将以上参数代入箱底部的应力和挠度值，并与需用值比较，进行安全性评价。
3.5稳定性的计算
当水箱承受的压力达到某一临界值时，水箱虽不至破坏，但会失稳该应力值就是屈曲临界应力。对水箱进行结构设计时，需要计算屈曲临界应力，再进行比较，以确定水箱结构的稳定性，由弯距产生的箱体部的屈曲临界应力按以下公式计算[9]： 4 零部件的设计
零部件的设计包括进水孔、出水孔、人孔、人梯、排污孔、气孔、溢流孔、等的设计，采用法兰连接[11]。
4.1人孔及人孔盖
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。人孔直径为R=740mm，位置在顶盖中间，需要再制作一人孔盖，人孔盖半径为R1=840mm，法兰厚度为9mm，螺孔分布圆直径为800mm，采用螺栓连接，螺栓孔径为30mm。
表4.1 圆筒形水箱设计标准
| 型号RXY- |
容积m³ |
外形尺寸（mm） 直径d 高度h |
入孔口直径（mm） | 重量（kg） |
接管预留孔孔径（mm） 溢流 排污 进出水 管孔 管孔 管孔 |
|||
|
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 |
3 4 5 7.5 10 12 15 20 25 30 |
1500 1670 1800 2090 2220 2510 2860 2860 3400 3400 |
1730 1900 2100 2360 2590 2250 2507 3237 2857 3407 |
570 570 740 740 740 740 700 700 700 700 |
158 193 226 273 340 456 580 820 1046 1334 |
DN65 DN65 DN65 DN65 DN65 DN65 DN65 DN65 DN65 DN65 |
DN50 DN50 DN50 DN50 DN65 DN65 DN65 DN65 DN65 DN65 |
由订货单位根据给排水图纸提供，也可水箱到位后开孔洞，但在合同中需注明 |
4.2进水孔
高度为210cm处，进水管直径为50mm，采用法兰连接。
4.3溢流孔
高度为200cm处，孔径大小为D=60mm,采用法兰连接。
4.4出水孔
高度为20cm处，孔径大小为D=65mm，采用法兰连接。
4.5气孔
孔径为R=50mm，位置在人孔盖的中间，采用法兰连接。
4.6排污孔
孔径为D=50mm，采用法兰连接。
4.7法兰
（1）模具准备：包括清理、组装及涂脱模剂（黄油，聚酯薄膜）等；
（2）树脂胶液配制的配制，增强材料准备；
（3）糊制与固化：采用手工铺层糊制湿法成型，直接在模具上铺放增强材料，后浸胶，一层一层地紧贴在模具上，扣除气泡，使之密实。分为胶衣层糊制和结构层糊制。
（4）脱模和修整。
4.8人梯
容积在10m³以上的水箱应设有内外人梯。延桶身壁设计一个宽30cm，高200cm的内外人梯。
4.9水位控制器
电子式水位开关（BZ2401或BZ0501）和搭配的水位控制器(BZ201、BZ202)来控制水位的高低，控制器A放在233.3cm除，另一控制器位置在出水口的位置高度。
5 工艺设计
玻璃钢水箱的制作工艺分为喷射成型工艺、缠绕成型工艺、手糊成型工艺和SMC模压成型工艺等。手糊成型法是一种低压成型法，它适用于制造形状较复杂以及非定型制品，且操作简便、专用设备少、适用性强[10]。在这里，我采用手糊成型工艺。
5.1 喷射成型工艺
喷射成型工艺是将混有引发剂和促进剂的两种聚酯分别从喷枪两侧喷出，同时将切断的玻纤粗纱，由喷枪中心喷出，使其与树脂均匀混合，沉积到模具上，当沉积到一定厚度时，用辊轮压实，使纤维浸透树脂，排除气泡，固化后成制品。
喷射成型机分压力罐式和泵供式两种：①泵式供胶喷射成型机，是将树脂引发剂和促进剂分别由泵输送到静态混合器中，充分混合后再由喷枪喷出，称为枪内混合型。树脂泵和助剂泵由摇臂刚性连接，调节助剂泵在摇臂上的位置，可保证配料比例。在空压机作用下，树脂和助剂在混合器内均匀混合，经喷枪形成雾滴，与切断的纤维连续地喷射到模具表面。②压力罐式供胶喷射机是将树脂胶液分别装在压力罐中，靠进入罐中的气体压力，使胶液进入喷枪连续喷出。工作时，接通压缩空气气源，使压缩空气经过气水分离器进入树脂罐、玻纤切割器和喷枪，使树脂和玻璃纤维连续不断的由喷枪喷出，树脂雾化，玻纤分散，混合均匀后沉落到模具上。
5.2 缠绕成型工艺
缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。
缠绕机是实现缠绕成型工艺的主要设备，对缠绕机的要求是：①能够实现制品设计的缠绕规律和排纱准确；②操作简便；③生产效率高；④设备成本低。
5.3 手糊成型工艺
手糊成型工艺使用的原材料包括玻璃纤维织物、合成树脂、助剂等，用手工作业把玻璃纤维织物和树脂交替铺层在模具上，然后固化成型为玻璃钢制品的工艺。
手糊工艺成型是复合材料最早的一种成型方法，尽管这种成型方式比较原始，并且在现在这个经济飞速发展的年代，新的工艺方法不断出现。但是手糊成型工艺具有一些独特的、不可替代的特点，所以至今仍然作为一种主要的玻璃钢成型工艺，特别是在我们国家，大多数工厂和大多数产品都采用这种方法生产。手糊成型具有以下优点[12]：
①手糊成型不受产品尺寸和形状限制，适宜尺寸大、批量小、形状复杂产品的生产；
②设备简单，投资少，见效快。适合我国乡镇企业的发展；
③工艺简便，生产技术易掌握，只需经过短期培训即可进行生产；
④易于满足产品设计要求，可以在产品不同部位任意增补增强材料；
⑤制品树脂含量高，耐腐蚀性好。
手糊成型的合成树脂，由于成型压力低，所以采用食品级不饱和聚脂树脂，因为这类树 脂在固化过程中仅排放相当少低分子聚合物。对树脂性能的基本要求是流动性能好，易浸润玻纤织物，此外，在树脂中加入一定量的(树脂量的1～5)触变剂，可减少树脂在垂直面上的下流。
手糊成型工艺流程如图：
图5.1 水箱手糊工艺流程图
手糊成型具体过程如下[13]：
(1)玻璃纤维及其织物的准备。玻璃纤维布首先要进行热处理去除纤维表面的蜡，然后按要求裁剪，玻璃布的裁剪要与以后的铺放紧密配合，否则将难以得到质量优良的制品。
(2)配胶。按制品的性能要求选择树脂，胶液配制的控制指标是流动性(粘度)及凝固时问。每次配胶量不宜过多，以免胶凝不好操作。
(3)模具的准备。手糊成型时均采用木模，为脱模方便，在模具表面要涂脱模剂。
(4)糊制成型。糊制是在模具上先涂上一层胶衣树脂，然后铺放一层玻璃布，用工具贴在 玻璃布上以排除气泡。重复上述操作，直至达到所需厚度。环境温度对树脂固化影响很大，一般要求环境温度不低于15℃，湿度不大于80℃。
(5)固化、脱模、修饰。固化为常温固化，制品经24小时后，固化大致完成。脱模后放置5～6天，使之充分固化，然后进行去毛边等修饰工作，最后组装成所要设计的玻璃钢水箱。
5.4模具制作
模具是手糊成型工艺的主要工具。合理选择模具对保证产品质量和降低成本关系很大。模具选择包括确定结构形式和选择材料两部分内容[14]。
（1）模具结构 根据玻璃钢水箱的结构特点，一般选用单模成型。为保证玻璃钢水箱外表面光滑美观，宜采用阴模成型。为了便于脱模箱体采用拼装式模具。根据箱体结构特点，圆柱形水箱模具一般分为3块，沿120°角分模。为了在脱模时不损毁制品表面，不论是箱顶、箱底、还是箱体模具，每块模具上都装有顶出机构，顶出机构采用螺杆顶块装置在，顶埋在模具上。
（2）模具材料 根据玻璃钢水箱的特点，模具材料一般选用玻璃钢复合材料制作。成型面涂胶衣树脂，胶衣树脂内参入黑色色浆。增强材料选用0.4mm或0.6mm厚无捻粗纱方格布，树脂选用通用型不饱和聚酯树脂。母模可采用水泥砂浆制作，也可利用已有的玻璃钢水箱制品做为母模，在上面翻制模具。
（3）模具成型 模具的制作工序如下：
母模的制作→母模的表面处理→安装顶块→打脱模剂→涂刷胶衣→糊制玻璃钢→安支撑钢架→固化→脱模→表面打磨抛光→修整法兰边
6 安装与连接
一般水箱有二种支承方法：一是直接放置在水泥混凝土平台上，二是水箱放置在矩型钢构桁架上，钢构桁架再由条混凝土支承在地面上或高架上。
（1）水泥混凝土连续支撑：将水箱放置在钢筋混凝土基础平台上时，为了使箱底的载荷均衡地传给基础上，以及使箱底应变均衡、受力均匀，本设计采用了一种特殊结构，即在水泥基础平台上抹一厚约5～10mm的特殊树脂砂浆。未固化但凝胶时将箱底放上，调水平固化后，该层又具有一定的弹性，保证箱底受到的载荷均衡地传递给基础[15]。
（2）矩形钢构桁架支承：钢构桁架由100×50mm镀锌槽钢制造，孔格宽度太小，浪费钢材；太大，又会增大板厚。一般取100×100厘米。
图6.1 水箱放置在弹性水泥平上
人孔及接管法兰的安装它们可以待水箱整体拼装完成后再按图示位置现场开孔安装，也可在板块拼装前预先将人孔接管法兰安装在特定板块上，前者位置较准确，但施工较困难，后者定位误差较大，可能运输不便（运输过程中被碰坏）。可二者相结合，即箱顶部分的人孔接管法兰先在工厂安装好，侧壁部分到现场箱体拼装完成后再进行安装。此外，所有人孔、接管法兰的安装，都应按国家标准进行三角撑板加强和内外补强。
7 检验方法
7.1出厂检验
7.1.1检验项目
（1）每块单板须进行外观检验，每台水箱须进行外观、渗漏性检验。
（2）每批单板须对外观尺寸进行抽样检验[16]。
7.1.2抽样方案
以相同外形尺寸、相同材料及工艺连续生产的1000块单板为一批，采用正常检验一次抽样方案，抽样方案如表7.1。
表7.1 抽样方案
| 抽样依据 | 检验水平 | AQL | 样本 | 判定数组 |
| CB2828 | 特殊检验水平S-2 | 2.5 | 5 | [0,1] |
7.1.3判定规则
（1）外观不符合质量要求的单板，判为不合格品。
（2）抽样检查单板外形尺寸时，如所抽五块单板均符合要求判该批单板外形尺寸合格：如有一块不符合要求，判为该批单板外形尺寸不合格。
（3）水箱外观、渗漏性均符合要求，判水箱合格；如不符合要求允许修复。
7.2型式检验
7.2.1检验条件
有下列情况之一时，应进行型式检验：
- 试制或正常生产后遇到材料、结构、工艺有明显改变，可能影响水箱性能时；
- 正常生产单板产量达到10000块时；
- 长期停产后恢复生产时；
- 出厂检验结果与上次型式检验有较大差异时；
- 国家质量监督检验机构提出型式检验要求时；
- 用户提出要求时。
单板外观、外形尺寸、理化性能指标在邻近周期检查时组装的一台水箱上进行。
7.2.3水箱检验
水箱外观、结构、性能的检验在邻近周期检查时组装的一台水箱上进行。
7.2.4判定规则
每项检验均符合要求时，判型式检验合格，否则判型式检验不合格。
小结
本课程设计的题目为玻璃钢圆筒形水箱，水箱容积V=6.5m3，介质为生活用水，安装位置为建筑物顶上，离地面50m（露天），设计过程可分为造型设计、性能设计、结构设计、零部件设计、工艺设计、安装连接及检验方法。
综合上文所述，设计箱体直径2R=200cm，高H=220cm，水位高h=207cm。水箱内表面食品级不饱和树脂，增强材料选用无碱玻璃纤维毡和短切毡；结构层选用无碱玻璃纤维无捻粗纱，通用型191不饱和树脂聚酯；外保护层选用196不饱和聚酯树脂。通过结构设计及校核确定水箱设计安全。工艺设计中手糊成型法是一种低压成型法，它适用于制造形状较复杂以及非定型制品，且操作简便、专用设备少、适用性强，在这里，我采用手糊成型工艺。经过正确安装连接并出厂检验和型式检测合格后，即可投入使用。
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