拉挤制品及结构的设计程序概要

周承祥

（仪征市祥生复合材料有限公司，211400）

摘要：本文概要叙述了拉挤制品及其结构的设计程序

关键词：拉挤制品及结构  设计程序  方法学

一、        前言

拉挤工艺是一种连续的、自动化的和高效的玻璃钢生产工艺，该工艺可以生产众多具有恒定截面的玻璃钢型材，包括杆材、管材、工字钢、槽钢、角钢以及许多具有复杂截面的型材，这些材料已广泛用于国民经济的许多领域，且应用范围呈不断扩大的趋势。这些材料在各种应用中取得了很大的成功，但是由于应用领域的复杂性，不同的应用场合其载荷的大小、方式以及使用环境有很大的差别，因此，在为特定的应用选择与设计玻璃钢材料时就应该充分了解这些使用条件，从而选择正确的原料和制造工艺，正确地进行构型设计，以及正确地确定合适的结构、连接和支撑方式。

对于玻璃钢制品而言，迄今为止还没有现成的被广泛接受的结构设计规范和准则供设计者使用，不同的基体材料和增强材料，材料中的等级变化，添加剂对性能的修饰作用，以及由不同的使用环境对材料所施加的影响都必须加以考虑。只有综合考虑上述因素进行优化设计，才能充分展示这些材料在应用中的优势。

拉挤制品的设计是一个综合性很强的工程，涉及到许多方面的知识，本文无意对其设计提供全面的指导，只是为其设计展示一种方法学，期望能为拉挤制品的设计者提供一种帮助，使其能在设计过程中遵循适当的程序，设计出满足应用要求的产品。相信本文的方法也能适用于其它玻璃钢制品的设计。

二、        设计程序

因为在制品的构型、树脂材料的类型与配方、增强材料的类型与定向以及生产工艺上有很宽范围的选择，因此，关键是在开始设计之前，设计者应尽可能精确和足够定量地建立所需的功能和性能要求。基于这些要求，通过一系列步骤，包括初步设计、设计评审与验证、最终设计、设计确认，就可以逻辑性地开展设计工作。表1以图表形式列出了设计过程的每一步的主要任务及考虑因素^[1]。设计者可以根据不同的应用对这些过程进行不同程度的裁剪。

推荐将“极限态设计（Limit states design）”^[2]用于拉挤制品的结构设计中。

表1    拉挤制品设计程序概要

三、        初步设计

建立了功能与性能准则之后，在实际的设计过程中初步设计是第一步，它包括尝试性地确定构件尺寸与构型，尝试选择候选材料、初步确定制造工艺等。这一过程通常需要对结构响应做适当的定量分析和对构件单元做性能平衡。

四、        结构构型

构型与功能有关。为了拉挤制品在结构应用中的成功应用，应选择适当的结构构型，以达到高的结构效率、优美的外观、制造的经济性以及其它目的。比如确定结构型材的壁厚的主要考虑因素是翼缘和腹板的局部屈曲。由工艺或运输因素所施加的尺寸限制也常影响构型。应考虑材料的收缩对尺寸及公差和表面平直度的影响。应设计好型材截面的拐角半径，以减少应力集中及利于加工。在型材截面的组成元厚度需要变化时，这样的变化应采取逐渐的方式。在有很高的表面要求的情况下，需要有高光洁度的模具和高效的脱模材料，也需要“低轮廓”树脂系统。应仔细对构型进行设计平衡，以避免由于加工的残余应力使型材翘曲。

五、        材料选择与工艺的确定

在选择材料时，应首先对所有的功能与性能要求有清楚的了解，并明确现实的成本目标。

关于材料的功能与性能要求包括：

●         结构的强度与刚度，以及其在不利的使用环境下的保留率；

●         非结构因素，如防腐、电气或热性能，以及颜色与纹理；

●         设计和生产准则（尺寸、形状及所需的生产效率）。

产品的总成本包括：

●         原材料；

●         生产设备与工具；

●         劳动力成本；

●         成品率；

●         后续处理及装配成本；

●         其它的辅助或二级操作——仓储、包装、质控、库存管理等。

拉挤制品相比传统材料的优势包括：

●         减轻重量导致操作成本降低；

●         长的使用寿命导致更换成本降低；

●         更好的光洁度导致维护成本降低；

●         固有的抗腐蚀性、电磁透明性、绝缘性、隔热性及可着色性导致某些场合更适合使用拉挤制品。

火灾安全性在某些应用中是很重要的因素，可以通过选择阻燃树脂或添加阻燃添加剂来控制燃烧速率和燃烧产物的毒性。

对材料的选择应考虑多重功能的相容性，为了获得最佳的整体性能和经济性，对材料的选择常需做某些性能平衡。例如阻燃添加剂常会降低其抗紫外线能力，添加柔性树脂来改进抗冲击性，却会降低制品的强度和刚度等等。

在工艺方面，通过整合进其它工艺可以获得具有特定的性能和功能的制品。例如，在拉挤中加进缠绕或编织工艺可以使管材获得较好的环向性能，加进热塑性挤出或在线喷涂工艺，可以使制品的外观性能或抗老化能力提高等。

六、        结构响应的分析与结构调整

对于结构应用，需要做结构响应的分析。在早期的概念性设计中，基于静力学所做的原始分析对于建立初始概念与性能平衡是有用的。在设计的后期阶段，则可能需要做复杂的结构分析。

在拉挤结构的设计中可使用以下的近似设计方法：

1 借助于理想结构元的弹性响应方程进行简化分析；

2 材料的强度和刚度表现出时间和温度依赖特性，可以用粘弹性材料性能来近似，所得的结果误差不超过15%；

3 各向异性材料常可近似为各向同性或正交异性弹性材料；

4 多层层合件用假各向同性或正交异性弹性性能近似为非层合材料，这些性能可以通过玻璃钢试样进行直接测定。

当在有些情况下需要做足够精度的结构分析时，则可以使用有限元分析、非线性分析等现代分析手段。

对所需的结构功能来说，结构件的最后平衡应得到足够的安全性和可使用性，这通常是对每种条件按预先确定的准则用“极限态”评价结构响应，包括使用载荷因子和性能降低因子，以及调整结构使其在使用载荷下有足够的刚度。拉挤制品因刚度较低，所以变形条件常是结构设计的控制因素。上述过程可能需要进行反复尝试（cut and try）以达到最终所需的精度。

七、        支撑与连接

拉挤结构件的支撑与连接是很重要的设计因素。不适当的方式会导致不满意的功能和结构行为。拉挤构件通常不能容纳应力集中和约束。结构细节应使应力集中和约束最少化，并使所产生的应力和支反力得到平滑过渡。对任何的不连续应仔细研究其应力集中。

支撑应尽量使构件上的支反力均匀分布。当均匀支撑不现实时，常需要提供边部增刚和局部增强，以容纳集中的支反力。

结构的连接通常使用机械紧固和/或胶接。接头应有所需的强度以安全地将设计力转移，它不应诱导过度的残余或不连续应力。在适当控制下两种连接方式都能提供可靠的连接，但也都会产生复杂的变化和应力与应变集中，且很少能作精确的理论预测。两种连接方法各有优缺点。对连接方法的选择通常由以下方面确定：

●         所要求的接头效率；

●         必须进行连接的区域；

●         被连接构件的几何形状；

●         使用环境及结构寿命；

●         接头的可靠性；

●         拆卸的需要；

●         防渗漏需要；

●         美观性；

●         成本目标。

八、        模型试验

一般来说，所设计的拉挤构件的生产量较大。因此需要先生产模型单元，对材料与设计进行评估，以核实构件满足功能和性能要求的能力。在模型试验时，为了避免误导结果及在使用中出现性能不够，应注意以下方面：

●         模型制造应使试验构件有如生产构件预期的大致同样的材料与特性；

●         对模型的加载所得到的构件上的应力应与设计载荷的预期影响大致相同，包括需要增加的安全或载荷因子；

●         模型结构响应的测定精度与完整度应与设计评估的要求一致；

●         对于长期载荷、高温或低温、热梯度、腐蚀环境、气候及紫外线对模型响应的影响，如果没有更加有效和实际的手段测定其对设计精度的影响，则应直接让构件承受有关条件的组合。

因为在设计和生产规划中有时间限制，一般要做加速试验来评估长期载荷及环境的影响。加速试验结果的有效性必须基于在长期和加速试验中确定的重要强度参数的研究，并将对同样材料的累积经验与加速试验的结论作比较。

九、        结束语

在拉挤构件的设计被接受后，还需要有一个不间断的质量控制程序，以确保材料和工艺的变化不会超过设计要求的限制。在生产之前应对原料和制品建立检验和质量控制程序，应基于所需的检验结果置信度结合可靠的统计原理建立抽样数量和频次标准、制样程序以及评估检验结果的方法。设计者应参与确定质量控制要求。有效的质量控制程序，结合合理建立并经足够试验的构件设计，将为使构件在合理的程度上满足所有功能与性能要求提供保证。

参考文献

[1] ASCE. Structural Plastics Design Manual, Chapter 4. Published by the American Society of Civil Engineers, New York, 1984

[2] R. E. Chambers, M. L. Porter & A. A. Shah. ASCE/PIC Standard for Design of Pultruded Composite Structures, 52th Annual Conference RP/C, 1997