玻璃钢环刚度相关研究.docx

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玻璃钢环刚度相关研究

附件2

本科生毕业设计（论文）开题报告

学生姓名：

导师姓名、职称：

所属学院：

理学院

专业班级：

工力1002

设计（论文）题目：

恒位移条件下玻璃钢管环刚度的挠度—时间相关性研究

2014年3月20日

开题报告填写要求

1．开题报告应根据教师下发的毕业设计（论文）任务书，在教师的指导下由学生独立撰写。

2．开题报告内容填写后，应及时打印提交指导教师审阅。

3．“设计的目的及意义”至少800汉字（外语至少500字），“基本内容和技术方案”至少400汉字（外语至少200字）。

进度安排应尽可能详细。

4．指导教师意见：

学生的调研是否充分？

基本内容和技术方案是否已明确？

是否已经具备开始设计（论文）的条件？

能否达到预期的目标？

是否同意进入设计（论文）阶段？

1选题背景和意义

1.1背景

我国FRP/CM（玻璃钢/玻璃钢）工业始于1958年，处于当时的时代背景下，一开始是为国防配套的。

1978年后，从计划经济转型为市场需求导向，生产社会化，国家建设与人民生活所需的FRP/CM日益发展。

  在党中央、国务院的领导下，原国家建筑材料工业部（局）对我国玻璃钢工业的发展起了先导性和基础性的作用。

上世纪60年代中叶，我国即已研发与生产火箭发动机壳体、导弹头部、火箭筒、枪托、炮弹引信、高压气瓶、飞机螺旋桨、贮罐、风机叶片、农用喷雾器、撑杆、弓、跳水板、滑翔机尾翼等多种玻璃钢制品。

  1965年10月，国家科委、国防科委、建材部联合召开全国玻璃钢工作会议，并举办展览会。

这期间，引进英国UPR（不饱和聚酯树脂）生产线,促进了我国UPR及其玻璃钢制品生产的技术进步与普及，对日后我国基体树脂及GRP的发展起了启蒙和基础性作用。

 改革开发30年来，引进了纤维缠绕管道与罐生产线（包括工艺管、夹砂管、高压管、卧式与立式贮罐）、拉挤、连续采光板及LFT-D生产线等装备；引进了环氧树脂与不饱和聚酯生产软硬件。

我国在吸收日、美技术之后，自行研发，建成了具有世界先进水平的玻纤工业。

  基体材料与增强材料工业已为中国玻璃钢的进一步发展奠定了雄厚的基础，历经50年、半个世纪，尤其是改革开发以来的30年，通过自主创新与吸收国际先进技术，FRP/CM在中国已成为朝阳产业。

神舟飞船上天，其返回舱主承力结构，低密度SMC等FRP件荣获国家科技进步二等奖，标志着我国玻璃钢科学技术已达世界先进水平。

1986年～2007年，我国玻璃钢（热固性）增长近160倍。

总量在上世纪90年代末期超过德国，本世纪初超过日本，热固性玻璃钢已超过欧洲总和。

如今，我国FRP/CM年产量已超过日本、西欧，于美国，居世界第一。

1.2意义：

采用聚合物基复合材料生产的玻璃钢管道的力学性能具有比较明显的时间相关性，其力学性能随着使用时间的增加会发生变化，强度和弹性模量都会降低，这一性能的变化对玻璃钢管道结构的安全可靠性具有重大意义。

环刚度是玻璃钢管道的重要性能指标之一，反映了其抵抗外荷载抗变形的能力。

由于性能的降低，环刚度会越来越小变形会越来越大，达到一定程度就会产生破坏，造成灾难性的后果。

本论文以国际上通用的一种长期性能测试方法——恒位移测试为基础，通过试验研究恒位移条件下在不同的初始挠度时玻璃钢管环刚度随时间的变化关系。

对玻璃钢管道结构长期使用的安全可靠性具有重大意义。

2国内外研究现状

2.1国内研究

上个世纪八十年代国内从国外引进了玻璃钢管道生产线，经过几十年的发展，在定长缠绕工艺方面的生产技术、生产设备等均处于世界领先的地位。

但是在玻璃钢管道长期性能领域中所做的有关研究依旧比较欠缺。

国内已有的如魏若齐对塑料管材长期性能评价的原理及其重要性进行了论述，并概述了不同材料的各种评价方法；张玉芳对油田中使用的玻璃钢管道失效分析方法、可能的失效形式和特征、失效预测的计算机模拟等进行了介绍；董孝理主要针对塑料管的长期寿命和长期静液压强度结合ISO、ASTM相关标准进行了一定的分析。

国内绝大多数管道制作工艺都采用的是定长缠绕的形式，而国外目前广泛采用的离心浇铸和连续缠绕工艺，使得国内外制造的玻璃钢管道的结构上存在很大的不同，其长期性能也必定存在一定的差异。

由于国内在这一方面的研究玻璃钢管道在国内应用大约有近30年的历史，大批量的应用约有10余年的历史。

首批产品大量应用于石油工业，从89年开始，我国中原油田率先批量采用国产缠绕玻璃钢管道获得成功。

此后，胜利油田、大庆油田、长庆油田、塔里木油田等都大批量采用玻璃钢管道代替防腐蚀钢管，从此揭开了我国应用玻璃钢管道的新篇章。

1994年以后，国产玻璃钢夹砂管道用于供水工程，大大降低了工程造价，掀开了我国水工程采用非金属材料的新的一页。

至今，我国已安装了近900KM夹砂玻璃钢管道，产品使用于国内28个省、市、自治区。

2.2国外研究

美国是制造玻璃钢技术最先进的国家之一，使用玻璃钢材料已有年历史，其早期应用于石油工业的地下输油管，各种供水管及污水处理管，目前尚有相当一部分在使用，其寿命已近年，至今美国已安装各类玻璃钢管道达万公里，其用量占世界首位，产品应用遍布各州，仅纽约、波士顿引水工程就采用玻璃钢管。

世界上有名的玻璃钢管制造厂，美国占以上，最好的缠绕玻璃纤维也出自美国，其玻璃钢管道大量应用于石油、化工、电力、供水、市政工程、海底石油工程之中，其产品也大量向中东地区及南美出口。

北欧国家如挪威、丹麦、瑞士等国，由于地处寒冷地带，夏冬两季温差较大，冬季气候异常寒冷。

使用金属管道遇到热胀及冷裂问题，因此极少采用，包括铸铁管，因而大量采用玻璃钢管道，目前玻璃钢管道占其总用量的80%以上，因此，在北欧国家其玻璃钢制造技术也比较先进。

西欧国家如英国、法国、德国、奥地利、比利时等国家，在应用玻璃钢材料上更是相当广泛，并将大量产品出口东欧及中东地区。

该地区也是玻璃钢原材料制造技术最发达的地区之一，拥有世界上最先进的玻璃纤维三大制造厂之一，及世界上最好的缠绕树脂。

英、法、德三国，其玻璃钢管道用量都占到总量的30%左右，法国率先将玻璃钢管道用于核电站的循环水系统及安全场供水中。

核电站的安全场供水必须连续不断，即使在核电站遭受外力破坏的情况下，也不能断水，否则将导致严重后果，因此，足以说明玻璃钢管材在欧洲国家应用之广泛。

目前，欧盟国家大力推广新型塑料复合管材，取得了较好的效益。

中东地区地处沙漠地带，水资源相当宝贵，管材选用是一个极其重要的课题，涉及到节水及施工、管理等一系列问题。

由于地处沙漠地带，使用金属管材遇到了长距离输送介质所导致的高压力等技术问题，还有后期管理问题，而选用玻璃钢管道可以大大地降低成本。

以沙特为代表的中东采油国，其大型输水管道、污水管道及海水淡化系统中的大口径管道几乎全部采用玻璃钢管。

3论文的主要研究内容

3.1恒位移条件下玻璃钢管环刚度的挠度—时间相关性的理论

理论研究中，采用聚合物基复合材料生产的玻璃钢管道的力学性能具有比较明显的时间相关性，其力学性能随着使用时间的增加会发生变化，强度和弹性模量都会降低，这一性能的变化对玻璃钢管道结构的安全可靠性具有重大意义。

首先要对玻璃钢管道的长期性能的本质做出解释。

结合国外的分析成果，将把主要的研究对象集中在树脂基体的粘弹性性能上。

结合现在已有的力学模型，然后按不同的方式组合进行力学分析，得到能够比较成功反映出恒位移条件下玻璃钢管的力学模型。

之后，参考目前已经应用的玻璃钢管道长期性能预测公式，确定本论文中预测长期性能所采用的公式形式。

3.2恒位移条件下玻璃钢管环刚度的挠度—时间相关性试验

试验方法的研究中以理论分析为指导，主要分为三个方面：

试样选择，试验装置设计和试验方法的确定。

3.2.1试样选着

3.2.1.1试样全部都是直径200mm的，宽度20mm

3.2.1..2每组试样至少为3根。

3.2.1.3应垂直切割试样端部，其切割面应无毛刺和锯齿边缘。

3.2.1.4为防止沿试样长度方向载荷分布不均匀，在不损伤增强材料条件下，若试样与加载板接触部位不平整应打磨。

只有在不损伤增强材料时才允许用喷砂打光，应注意只沿上下压板接触线进行喷砂。

3.2.2试验条件及设备

3.2.2.1试验装置设计要求能够反应玻璃钢管道的实际受载形式，同时保证试验数据的准确性。

3.2.2.2具备条件时至少在温度（23士2）℃环境中放置4h，并在相同环境下进行试验。

不具备条件时，在实验室环境温度下进行试验。

3.2.2.3仲裁试验时，试样至少在温度（23士2）℃和相对湿度（50士10）写的环境中存放40h，并在同样环境下进行试验。

3.2.2.4试验设备按GB/T1446-2005第5章的规定。

3.2.2.5加载板面应平整、光滑板的厚度不小于6mm，以保证有足够的刚度。

板的长度不小于试样长度，宽度不小于试样达到最大径向变形时与加载板的接触宽度加150mm

3.2.3试验方法

初步方案分五组进行，每组三个试样，如下表所示：

变形

管环刚度

时间

h

0

20

50

90

140

200

250

300

350

400

5%

10%

15%

20%

25%

3.3玻璃钢管道长期性能的试验分析

对采集的数据进行双对数线性回归线拟合得出恒位移条件下玻璃钢管环刚度的挠度—时间相关性，从而获得长期换管道使用寿命预测。

4进度安排

2014年3月20日前查阅文献并完成开题报告；

3月21日～3月27日制作试样；

3月28日～4月24日进行相关试验；

4月25日～5月7日进行实验数据处理与理论分析；

5月8日～6月1日撰写毕业论文。

5必读参考文献

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[2]ASTMD5365StandardTestMethodforLong-TermRing-BendingStrainofFiberglass"（Glass-Fiber-ReinforcedThermosetting-Resin）Pipe".

[3]GB/T5352—2005纤维增强热固性塑料管平行板外载性能试验方法

[4]RezaEslamiFarsani,SeyedMohammadRezaKhalili,VahidDaghighi,RezaFazaeliCreepBehaviorofBasaltandGlassFiberReinforcedEpoxyComposites

[5]李翔，浙江大学，钢丝缠绕增强塑料复合管粘弹性力学行为研究

[6]DongZhiheng,LuoJun,LiXueqiang,LiNi,LiNan（ZhanJiangNanhaiWestOilSurvey&DesignCo.,Ltd.,Zhanjiang524057,China玻璃钢管失效分析及试验方法综述

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[8]王际强.外压圆筒加强圈设计[J].压力容器,2005,22（10）:

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[12]R.D.Bradshaw,L.C.Brinson,Acontinuoustestdatamethodtodetermineareferencecurveandshiftrateforisothermalphysicalaging,PolymerEngineeringandScience39（1999）211–235.

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5．指导教师意见

同学认真阅读了任务书及相关参考文献，对本课题进行了比较充分的调研，对该领域目前国内外的研究现状与进展有了较全面的了解；基本研究内容和技术方案已经比较明确，具有一定的可行性，具备了开始论文的条件，能够按期完成并达到预期的研究目标。

同意李洪仙同学进入论文阶段。

指导教师（签名）：

2014年3月20日