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        小角度纏繞聚氨酯基復(fù)合材料電力桿塔的材料力學(xué)性能研究

        2021-04-24 09:41:12李若谷
        玻璃纖維 2021年1期
        關(guān)鍵詞:層壓板環(huán)向桿塔

        李若谷,俞 俊

        (南京電力金具設(shè)計(jì)研究院有限公司,南京 210000)

        0 前言

        目前我國(guó)架空線路用桿塔以水泥桿塔和鋼管桿塔為主,但水泥桿塔和鋼管桿塔普遍存在重量重、易腐爛、銹蝕或開裂等特點(diǎn)[1];隨著新材料技術(shù)及其制備工藝的發(fā)展,伴隨著國(guó)家電網(wǎng)推廣的“兩型三新”政策,用復(fù)合材料桿塔替代現(xiàn)有水泥桿塔和鋼管桿塔成為了可能。

        復(fù)合材料具有輕質(zhì)、高強(qiáng)、耐腐蝕、電絕緣性好、可設(shè)計(jì)性強(qiáng)等特點(diǎn)[2]。早年在電力工程中普遍使用的環(huán)氧樹脂、乙烯基樹脂由于脆性大、耐老化性差、不可鉆孔等原因在一定程度上制約了復(fù)合材料桿塔的發(fā)展;而近年來(lái)新研發(fā)的聚氨酯基復(fù)合材料具有耐腐蝕、耐老化、韌性好、絕緣性好、可鉆孔等特點(diǎn),解決了傳統(tǒng)樹脂的不足[3~7]。聚氨酯基復(fù)合材料桿塔可以提高線路運(yùn)行的可靠性,降低維護(hù)頻率,質(zhì)量輕,施工運(yùn)輸方便,應(yīng)用前景非常廣闊。

        國(guó)外研究復(fù)合材料桿塔已經(jīng)有50 多年歷史,美國(guó)、加拿大、荷蘭等國(guó)家都有成功應(yīng)用的案例,并具有一定的規(guī)?;瘧?yīng)用[8,9]。我國(guó)從2009 年開始進(jìn)行了一系列的復(fù)合材料桿塔示范工程,并取得了一定的進(jìn)展,為日后大規(guī)模應(yīng)用積累寶貴的經(jīng)驗(yàn)[10~12]。

        1 研究目的

        復(fù)合材料桿塔分為拉擠型、纏繞型、拉擠纏繞一體型,本項(xiàng)目研究的10 kV配網(wǎng)輸電桿塔主要采用的是纏繞工藝成型的單桿塔結(jié)構(gòu)??紤]到復(fù)合材料的各項(xiàng)異性特性,需對(duì)復(fù)合材料的纖維鋪層方向進(jìn)行設(shè)計(jì)。復(fù)合材料是由樹脂和纖維共同受力,纖維作為受力的主體,樹脂只是起著傳遞力的作用,所以復(fù)合材料沿著纖維方向的強(qiáng)度和模量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于垂直于纖維方向的強(qiáng)度和模量。復(fù)合材料單桿塔主要受力方向是軸向彎曲、扭轉(zhuǎn)、拉伸及剪切,所以目前國(guó)內(nèi)外復(fù)合材料單桿塔普遍采用的是小角度纏繞工藝,以增加其軸向方向的力學(xué)性能。小角度纏繞工藝成型的復(fù)合材料桿塔其主要結(jié)構(gòu)層的纖維方向與軸向的夾角在±5°~10°左右,但目前國(guó)內(nèi)對(duì)復(fù)合材料的研究測(cè)試報(bào)道主要集中在0°或90°單向鋪層、0°、90°交錯(cuò)鋪層、±45°鋪層。且對(duì)聚氨酯基復(fù)合材料的相關(guān)研究實(shí)驗(yàn)報(bào)道甚少。為了系統(tǒng)地研究聚氨酯基復(fù)合材料桿塔的力學(xué)性能,對(duì)復(fù)合材料桿塔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供相關(guān)的設(shè)計(jì)參數(shù),必須對(duì)結(jié)構(gòu)層的小角度纏繞復(fù)合材料進(jìn)行系統(tǒng)的材料方面的力學(xué)性能測(cè)試。

        根據(jù)國(guó)標(biāo)的制樣標(biāo)準(zhǔn),復(fù)合材料試樣都是制成板狀,進(jìn)行切割加工制成標(biāo)準(zhǔn)試樣條,考慮到在真型塔上截取制樣會(huì)造成試樣中纖維被大量破壞,測(cè)出的數(shù)據(jù)偏低,所以本項(xiàng)目采取模擬小角度鋪層結(jié)構(gòu),用手工制成與軸向成一定夾角的交錯(cuò)層壓板,進(jìn)行切削加工測(cè)試。

        2 制樣

        2.1 制樣數(shù)量及規(guī)格

        根據(jù)GB/T1447-2005《纖維增強(qiáng)塑料拉伸性能試驗(yàn)方法》、GB/T1448-2005 纖維增強(qiáng)塑料壓縮性能試驗(yàn)方法》、GB/T1449-2005 纖維增強(qiáng)塑料彎曲性能試驗(yàn)方法》、ISO14130-1997《纖維增強(qiáng)塑料復(fù)合材料 用短試片法測(cè)定表觀層間粘合剪切強(qiáng)度》、GB/T1454-2005《夾層結(jié)構(gòu)測(cè)壓性能試驗(yàn)方法》的相關(guān)規(guī)定,進(jìn)行材料的制樣:

        (1)制作纖維鋪層與軸向夾角±5°~10°的層壓板,共鋪4 層,厚度約3~4 mm的層壓板4塊,用作小角度層壓板的軸向(±5°~10°)與環(huán)向(90°±5°~10°)方向的拉伸、彎曲、剪切、抗沖擊性能測(cè)試。

        (2)制作纖維鋪層與軸向夾角±5°~10°的層壓板,共鋪8 層,厚度約6 mm的層壓板1 塊,用作小角度層壓板的軸向(±5°~10°)與環(huán)向90°±(5°~10°)方向的壓縮性能測(cè)試。

        (3)制作纖維鋪層沿軸向的單向?qū)訅喊?,共? 層,厚度約3~4 mm的層壓板2 塊,用作單向?qū)訅喊宓妮S向(0°)與環(huán)向(90°)方向的拉伸、彎曲性能測(cè)試。

        (4)制作纖維鋪層沿軸向的單向?qū)訅喊?,共? 層,厚度約6 mm的層壓板1 塊,用作單向?qū)訅喊宓妮S向(0°)與環(huán)向(90°)方向的壓縮性能測(cè)試。

        2.2 試驗(yàn)材料

        制作層壓板需要物品清單見(jiàn)表1 所示:

        表1 物料清單

        2.3 制樣過(guò)程

        (1)將實(shí)驗(yàn)室空調(diào)打開,盡量保持常溫、控制實(shí)驗(yàn)室的濕度,最好保持在濕度40%以下。

        (2)將無(wú)堿單向玻纖布剪成500 mm×400 mm的規(guī)格,剪好后放入烘箱內(nèi)干燥半小時(shí)以上以除去纖維中的水分。

        (3)將聚酯薄膜剪成700 mm×600 mm的規(guī)格,在聚酯薄膜上均勻的涂抹脫模劑,待半小時(shí)干燥后再涂抹一層,共涂抹3 層。

        (4)將聚氨酯樹脂按照比例進(jìn)行混合,用電動(dòng)攪拌機(jī)對(duì)樹脂進(jìn)行充分?jǐn)嚢琛?/p>

        (5)將樹脂均勻地倒在聚酯薄膜上,用刮板刮勻,按照設(shè)計(jì)好的角度鋪放無(wú)堿單向玻纖布,用刮板來(lái)回刮動(dòng)樹脂,使樹脂充分浸漬纖維,重復(fù)步驟鋪放無(wú)堿單向玻纖布,刮樹脂。待鋪放到既定層數(shù)后,最上層鋪放一層聚酯薄膜,用刮板趕走氣泡和刮去多余的樹脂。

        (6)將薄膜和試樣放在不銹鋼夾具中,一起放入烘箱內(nèi)160 ℃烘1~2 h,待其自然冷卻。

        (7)將試樣四周飛邊,取中間有效部位送至相關(guān)權(quán)威部門進(jìn)行檢測(cè)。

        3 檢測(cè)

        3.1 檢測(cè)設(shè)備

        本試驗(yàn)檢測(cè)試樣拉壓彎剪性能所使用的設(shè)備為萬(wàn)能電子拉力機(jī)INSTRON 3382,檢測(cè)試樣沖擊性能所使用的設(shè)備為沖擊試驗(yàn)機(jī)XJ~50Z。

        3.2 檢測(cè)數(shù)據(jù)

        小角度層壓板的力學(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表2所示:

        表2 小角度層壓板試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

        單向?qū)訅喊宓牧W(xué)性能檢測(cè)數(shù)據(jù)詳見(jiàn)表3所示:

        表3 單向?qū)訅喊逶囼?yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)

        (續(xù)表)

        0°方向?qū)訅喊逶嚇悠烨凹袄旌蟮恼掌艾F(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖1、2 所示:

        圖1 0°拉伸試樣拉伸破壞前后照片

        圖2 0°拉伸試樣測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

        0°方向?qū)訅喊鍙澢嚇悠茐那芭c破壞后的照片及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖3、4、5 所示:

        圖3 0°彎曲試樣的彎曲破壞前照片

        圖4 0°彎曲試樣的彎曲破壞后照片

        圖5 0°彎曲試樣測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

        0°方向?qū)訅喊鍙澢嚇悠茐那芭c破壞后的照片及現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)照片如圖6、7、8 所示:

        圖6 0°壓縮試樣的壓縮破壞前照片

        圖7 0°壓縮試樣的壓縮破壞后照片

        圖8 0°壓縮試樣測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)照片

        4 試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果分析

        4.1 模量計(jì)算公式與近似計(jì)算

        對(duì)于單向板,應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系為:

        其中,

        圖9 坐標(biāo)變換示意圖

        當(dāng)坐標(biāo)變換角度時(shí)(圖9)存在應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系:

        其中:

        平面應(yīng)力條件下簡(jiǎn)化為:

        由于試驗(yàn)數(shù)據(jù)缺乏橫向模量、泊松比等參數(shù),計(jì)算工時(shí)簡(jiǎn)化為

        采用以上公式進(jìn)行近似估算,結(jié)果詳見(jiàn)表4~表7中:

        表4 小角度層壓板±5°~10°(軸向)拉伸模量計(jì)算

        表5 小角度層壓板90°±5°~10°(環(huán)向)拉伸模量計(jì)算(缺少數(shù)據(jù),無(wú)法計(jì)算)

        表6 小角度層壓板±5°~10°(軸向)彎曲模量計(jì)算

        表7 小角度層壓板90°±5°~10°(環(huán)向)彎曲模量計(jì)算

        4.2 強(qiáng)度計(jì)算公式與近似計(jì)算

        在一定角度單向應(yīng)力作用下條件下,如圖10所示。

        圖10 坐標(biāo)轉(zhuǎn)換示意圖

        其應(yīng)力計(jì)算公式為:

        根據(jù)最大應(yīng)力破壞準(zhǔn)則,材料強(qiáng)度為:

        依據(jù)以上計(jì)算公式,對(duì)桿塔層壓板強(qiáng)度進(jìn)行近似計(jì)算,結(jié)果詳見(jiàn)表8~13 中:

        表8 小角度層壓板±5°~10°(軸向)拉伸強(qiáng)度

        表9 小角度層壓板90°±5°~10°(環(huán)向)拉伸強(qiáng)度(數(shù)據(jù)不足,無(wú)法計(jì)算)

        表10 小角度層壓板±5°~10°(軸向)彎曲強(qiáng)度

        表11 小角度層壓板90°±5°~10°(環(huán)向)彎曲強(qiáng)度

        表12 小角度層壓板±5°~10°(軸向)壓縮強(qiáng)度

        表13 小角度層壓板90°±5°~10°(環(huán)向)壓縮強(qiáng)度

        5 總結(jié)

        (1)小角度層壓板±5°~10°(軸向)的實(shí)際拉伸強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度基本與理論計(jì)算相符,數(shù)值略低于理論數(shù)值,但在可控范圍之內(nèi),但實(shí)際壓縮強(qiáng)度略高于理論數(shù)值;

        (2)小角度層壓板90°±5°~10°(環(huán)向)的實(shí)際拉伸強(qiáng)度基本為聚氨酯樹脂的拉伸強(qiáng)度,一般40~50 MPa;實(shí)際彎曲強(qiáng)度與理論計(jì)算相符,數(shù)值偏差略高,這與手糊制樣樹脂含量較高有一定關(guān)系;實(shí)際壓縮強(qiáng)度與理論計(jì)算相符,數(shù)值與理論計(jì)算幾乎一樣,因而壓縮強(qiáng)度主要受樹脂的性能影響,與纖維的含量及纖維走向影響較小;

        綜上,此次試驗(yàn)測(cè)試出的小角度層壓板的強(qiáng)度與模量的數(shù)值與理論計(jì)算出的數(shù)值在可控范圍之內(nèi),其值偏小于理論計(jì)算值。這是因?yàn)橛捎趶?qiáng)度理論建立在無(wú)限大層板上,沒(méi)有考慮試驗(yàn)件有限寬度帶來(lái)邊界纖維不完整導(dǎo)致的應(yīng)力集中破壞,所以理論估算會(huì)高于測(cè)試。

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