《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
学年第 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ζb=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[ζy]=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 ζx=Pw（D+t）/4t （3-4）
t=PwD/（2[ζy]−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[ζx]=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 [ζx]=Pw（D+t）/4t 变换为 t=PwD/（4[ζx]-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
δ=qL4/384ExI0≤6.5mm （3-13）
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≤200cm
q=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
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ζb=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○
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。
ζy=pdm/2t1≤ζb/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. 5
r=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）
《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
学年第 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ζb=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[ζy]=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 ζx=Pw（D+t）/4t （3-4）
t=PwD/（2[ζy]−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[ζx]=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 [ζx]=Pw（D+t）/4t 变换为 t=PwD/（4[ζx]-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
δ=qL4/384ExI0≤6.5mm （3-13）
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≤200cm
q=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
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ζb=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○
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。
ζy=pdm/2t1≤ζb/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. 5
r=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）