專利名稱：一種復(fù)合材料電桿及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種復(fù)合材料電桿及其該電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，屬電力設(shè)施部件及其 設(shè)計領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
在電力設(shè)施領(lǐng)域，傳統(tǒng)的輸電桿，如木桿、水泥桿、鋼桿及鐵塔等在長期運行中普 遍存在質(zhì)量重、易腐爛、銹蝕或開裂等缺陷，耐久性差，使用壽命較短，施工運輸和運行維護 困難，容易出現(xiàn)各種安全隱患。由于纖維增強樹脂基復(fù)合材料(以下簡稱FRP)具有強度高、質(zhì)量輕、耐腐蝕以及 耐疲勞性能、耐久性能和電絕緣性能好、性能可設(shè)計等特點，是輸電桿結(jié)構(gòu)材料較理想的選 擇，目前國外FRP在輸電桿上的應(yīng)用形式主要有變截面單桿。采用復(fù)合材料制作電力桿可以減少每個絕緣子串中絕緣子的用量；絕緣子串可以 離結(jié)構(gòu)更近；可以減少相線與相線的間距；在滿足屏蔽相導(dǎo)線免于遭雷擊的設(shè)計條件下， 避雷線的高度可以降低，從而使桿結(jié)構(gòu)設(shè)計的更加緊湊。復(fù)合桿絕緣的優(yōu)越性，對解決高壓 輸電線路桿塔運行中的污閃、霧閃，特別是雷電跳閘問題具有重要意義。近年來，用纖維增強樹脂基復(fù)合材料制作電桿已有成功報道，但由于其桿壁所用 的復(fù)合材料全部采用玻璃纖維與樹脂混合物，在滿足電桿的設(shè)計重量和剛度綜合要求的情 況下，該電桿整體重量雖相對于鋼桿重量有所減少，但重量減輕的優(yōu)勢不大；同時與木桿、 水泥桿、鋼桿及鐵塔相比，因復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)層較厚而增加了成本，不適宜推廣應(yīng)用。要使復(fù)合材料電桿能夠比現(xiàn)有的電桿重量輕，剛度高，同時又不增加整體結(jié)構(gòu)的 制造成本和維護成本，必須要有一個合理的設(shè)計方案，通過設(shè)計手段對其電桿的壁厚、材質(zhì) 進行合理選擇和鋪設(shè)；同時鑒于空心電桿整體壁厚相同，其空心處上下內(nèi)徑不同的結(jié)構(gòu)特 征，對不同截面時的應(yīng)力和撓度指標(biāo)要求各不相同；要使各截面的應(yīng)力與撓度符合設(shè)計要 求，才能使制備成型的復(fù)合材料電桿具備重量輕、剛度高、成本低的性能。至目前為止，還未 看到有關(guān)復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)設(shè)計方面的有關(guān)報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明的目的在于提供一種同時具有重量 輕、剛度高、成本低的復(fù)合材料電桿及其該結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種復(fù)合材料電桿，包括桿體，其 特點為所述桿體的壁厚設(shè)為三層，由內(nèi)至外依次為內(nèi)蒙皮、夾芯層與外蒙皮；所述內(nèi)蒙皮 與外蒙皮的厚度比為1 2 2 3;所述夾芯層的厚度為9 Ilmm;其中，內(nèi)蒙皮與外蒙 皮均為玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系纏繞而成；所述增強熱固性樹脂由乙烯基酯樹脂 90 100份，固化劑1 3份，促進劑0. 2 1. 5份，防老化劑1 3份，色漿0. 2 1份混 合而成。上述的夾芯層可選用石英砂與不飽和聚酯樹脂膠液的復(fù)合層、蜂窩體與不飽和聚酯樹脂膠液的復(fù)合層或泡沫層與不飽和聚酯樹脂膠液的復(fù)合層中的任一種。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明還提供了一種上述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包 括以傳統(tǒng)電桿結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計其電桿壁厚的步驟以及在該電桿外壁覆有抗老化功能表層 的步驟，它還具有如下步驟1)將該復(fù)合材料電桿壁厚設(shè)計為三層，由內(nèi)至外分別為內(nèi)蒙皮、夾芯層與外蒙皮； 其中，內(nèi)蒙皮與外蒙皮均由玻璃纖維增強熱固性樹脂纏繞層構(gòu)成；2)確定步驟1)所述玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系的原料及配比量；確定所 述夾芯層的材料及成型方式；3)依據(jù)電力線路工程使用條件的要求，以步驟1)的形式為基礎(chǔ)制作該復(fù)合材料 電桿壁厚的試樣，并對該試樣進行測試，分別獲取內(nèi)蒙皮、外蒙皮和夾芯層的彈性常數(shù)及泊 松比性能參數(shù)；4)由步驟3)獲得的彈性模量及泊松比確定所述內(nèi)蒙皮、外蒙皮和所述夾芯層的 厚度，并確定所述玻璃纖維增強熱固性樹脂中玻璃纖維材料的鋪層方式；其中，內(nèi)蒙皮與外 蒙皮厚度設(shè)計比例為1 2 2 3;夾芯層的厚度設(shè)計為9 Ilmm;鋪層方式以纏繞方向 角 90° /0° /54° /90° /0° /90° 依次進行纏繞；5)將步驟3)獲取的彈性模量、泊松比與步驟4)確定的內(nèi)蒙皮、外蒙皮與夾芯層的 厚度值以及所述玻璃纖維材料鋪層方式的纏繞方向角導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中，構(gòu)建實體 模型，施加載荷，模擬計算得到該復(fù)合材料電桿在不同載荷工況時的應(yīng)力值和撓度值；6)取所述復(fù)合材料電桿設(shè)計的許用應(yīng)力值與步驟5)獲得的應(yīng)力值的比值獲取該 復(fù)合材料電桿的安全系數(shù)值；然后將該安全系數(shù)值與撓度值與設(shè)計要求對比，即在正常工 況條件下所述復(fù)合材料電桿頂端的撓度小于或等于整體電桿高度的15%。，安全系數(shù)大于或 等于1. 8 ；若滿足設(shè)計要求，則完成復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計，進入構(gòu)件成型的步驟；7)如果步驟5)獲得的應(yīng)力和撓度經(jīng)步驟6)對比，不滿足設(shè)計要求，則返回步驟 4)，調(diào)整內(nèi)蒙皮、外蒙皮的厚度和玻璃纖維增強材料的鋪層方式；重復(fù)步驟5)至步驟6)，使 得到的應(yīng)力和撓度滿足步驟6)的設(shè)計要求，完成所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計。上述步驟2)所述的玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系為用玻璃纖維經(jīng)常溫下固 化的乙烯基樹脂膠液浸漬后按規(guī)定的方向角順序纏繞，其中，乙烯基酯樹脂膠液由乙烯基 酯樹脂90 100份，固化劑1 3份，促進劑0. 2 1. 5份，防老化劑1 3份，色漿0. 2 1份混合而成。上述步驟3)所述的內(nèi)蒙皮與外蒙皮的性能參數(shù)均為在室溫16°C、相對濕度40% 的條件下，纏繞用玻璃纖維材料拉伸彈性模量為40. 9Gpa，彎曲模量為11. 2Gpa，剪切模量 5. 2Gpa，泊松比為0. 33 ；所述夾芯層的彈性模量為8. 41GPa ；泊松比為0. 36。上述步驟2)中，夾芯層可有三種方案選擇其一，所用的材料為石英砂與不飽和 聚酯樹脂膠液復(fù)合，其成型步驟為①確定所用石英砂為顆粒狀，其粒度選擇為大于80%的石英砂粒度為20 40 目，其余的石英砂最大粒度小于10目；將上述石英砂撒在所述內(nèi)蒙皮表面上，在石英砂表 面淋上所述不飽和聚酯樹脂膠液；②取紗布套設(shè)在纏繞機上，在147 294N的張力下，該紗布與步驟1)淋有不飽和 聚酯樹脂膠液的石英砂同步鋪設(shè)，且將所述不飽和聚酯樹脂膠液和所述石英砂整體包覆并纏繞于所述內(nèi)蒙皮的表面上形成一層夾砂層；③在步驟②的第一層夾砂層表面上，重復(fù)步驟①至步驟②，形成第二層夾砂層；④利用纏繞機上的壓力輥往返擠壓步驟③待壓的雙層夾砂層，壓至厚度滿足設(shè)計 要求后，得到所述夾芯層。在其步驟②中，石英砂和不飽和聚酯樹脂膠液以7 7. 5 2. 5 3的比例混合； 步驟②、步驟③所述的夾砂層厚度分別為4. 5 5. 5mm。其二，夾芯層所用的材料為蜂窩體與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合，其成型步驟為①取與所述夾芯層厚度相同的蜂窩體，在所述內(nèi)蒙皮樹脂尚未固化前將該蜂窩體 沿直徑方向從電桿低端到頂端進行包裹；②在步驟①包裹的蜂窩體外表面用玻璃布帶纏繞且繃緊，直至蜂窩體與內(nèi)蒙皮固 化成一體；③將步驟②的玻璃布帶拆掉，用噴壺或噴槍向該蜂窩體表面均勻噴射不飽和聚酯 樹脂膠液；④待步驟③噴膠后的蜂窩體常溫固化四個小時后，在該蜂窩體外表面進行外蒙皮 的纏繞成型。其三，夾芯層所用的材料為泡沫層與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合，其成型步驟為①取與所述夾芯層厚度相同的泡沫層，其材質(zhì)為PVC致密泡沫板，該PVC致密泡沫 板密度為60-90kg/m3 ；所述PVC致密泡沫板的長度和寬度分別由所述電桿內(nèi)蒙皮的長度及 內(nèi)蒙皮外徑分別確定并裁剪成塊；②將步驟①裁剪后的PVC致密泡沫板放入溫度為160 V的恒溫烘箱內(nèi)，將該PVC致 密泡沫板軟化；③將步驟②軟化的PVC致密泡沫板壓制成與所述內(nèi)蒙皮外表面形狀吻合的弧形， 然后在該內(nèi)蒙皮外表面人工淋一層不飽和聚酯樹脂膠液，將呈弧形狀的PVC致密泡沫板與 所述內(nèi)蒙皮粘結(jié)成一體；④在步驟③粘接成一體的PVC致密泡沫板外表面通過纏繞成型所述的外蒙皮。本發(fā)明復(fù)合材料電桿外壁覆著的抗老化功能表層，由抗老化添加劑和乙烯基酯樹 脂以2% 4% 96% 98%的比例配制而成；其中，抗老化添加劑為紫外線吸收劑和光穩(wěn) 定劑的組合劑，其中紫外線吸收劑與光穩(wěn)定劑的混合比例為7 3。由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果如下1)通過本發(fā)明設(shè)計方案可合 理選擇內(nèi)蒙皮、外蒙皮所用的原料及原料之間的配比以及厚度，合理設(shè)定夾芯層的厚度與 成型方法；其中，內(nèi)蒙皮與外蒙皮除采用玻璃纖維增強材料與乙烯基樹脂混合鋪層外，還可 用碳纖維增強材料替代玻璃纖維增強材料；夾芯材料除選用石英砂與乙烯基樹脂混合包覆 成型外，還可用泡沫或蜂窩等材料替換石英砂夾砂層作夾芯結(jié)構(gòu)，均可有效降低復(fù)合材料 電桿的重量，其重量約為鋼材料電桿重量80%。2)夾芯層采用價格便宜的石英砂，與全用 玻璃纖維增強材料制作的復(fù)合材料電桿，其成本大幅下降。3)由于成型后的復(fù)合材料電 桿重量減輕，可方便安裝施工，減少施工人員的勞動強度；同時還可以減小走廊寬度，在滿 足結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的要求下可通過增加夾芯層厚度以提高該電桿的整體抗彎性能，有效解決 現(xiàn)有技術(shù)中，電桿撓度大易折斷等方面的缺陷，在實際線路的應(yīng)用中，能夠提高安全裕度。 4)該復(fù)合材料電桿的設(shè)計方法為復(fù)合材料在電力行業(yè)中的應(yīng)用提供了參考，利用有限元ANSYS軟件對復(fù)合材料電桿的結(jié)構(gòu)進行系統(tǒng)的設(shè)計，通過按一定比例改變內(nèi)、外蒙皮及夾芯 層的厚度，使該復(fù)合材料電桿的應(yīng)力和撓度與設(shè)計要求相符；其中，內(nèi)蒙皮、外蒙皮以及夾 芯層結(jié)構(gòu)均采用現(xiàn)有的纏繞工藝成型；其設(shè)計合理、易于操作，最終形成具有重量輕、使用 年限長、良好絕緣性能等優(yōu)點的復(fù)合材料電桿。


圖1為復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的截面示意圖
具體實施例方式本發(fā)明復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，是由電力設(shè)計院根據(jù)所使用線路的電壓等 級、不同工況下電桿結(jié)構(gòu)可以承受的載荷條件，將現(xiàn)有技術(shù)中整個電桿壁厚完全使用玻璃 纖維乙烯基樹脂復(fù)合材料，改變?yōu)橐环N中間帶有夾芯層的復(fù)合材料電桿；通過由玻璃纖維 乙烯基樹脂復(fù)合材料纏繞成型的內(nèi)蒙皮、外蒙皮，以及在內(nèi)蒙皮和外蒙皮之間夾設(shè)的夾芯 層，采用成熟的纏繞工藝進行加工制造為整體電桿結(jié)構(gòu)；同時將內(nèi)蒙皮、外蒙皮、夾芯層的 預(yù)設(shè)厚度以及玻璃纖維乙烯基樹脂復(fù)合材料的纏繞方式導(dǎo)入有限元ANSYS軟件中，利用該 軟件程序?qū)ζ鋽?shù)據(jù)進行分析、計算驗證、優(yōu)化改進，在滿足電桿所需剛度和強度的要求下最 終確定內(nèi)外蒙皮及夾砂層的厚度；如果滿足設(shè)計要求，即可確定復(fù)合材料電桿的內(nèi)蒙皮和 外蒙皮的厚度；如果不能滿足設(shè)計要求，還可通過軟件的重新計算，調(diào)整內(nèi)蒙皮和外蒙皮的 厚度，使其滿足設(shè)計要求。由于外蒙皮為主要承載結(jié)構(gòu)層，并結(jié)合有限元計算分析結(jié)果，內(nèi)蒙皮與外蒙片厚 度比例選擇在1 2 2 3范圍內(nèi)。如圖1所示，本發(fā)明復(fù)合材料電桿壁厚設(shè)計為三層，其內(nèi)層設(shè)計為復(fù)合材料電桿 的內(nèi)蒙皮1，內(nèi)蒙皮ι的外表面設(shè)計一層為夾芯層2，夾芯層2外層為外蒙皮3。內(nèi)蒙皮1與 外蒙皮3均采用玻璃纖維乙烯基樹脂復(fù)合體系纏繞而成；而夾芯層2有三種設(shè)計方案，一種 為用石英砂與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合成型的夾芯層；第二種為用蜂窩體與不飽和聚 酯樹脂膠液復(fù)合成型的夾芯層；第三種為用泡沫層與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合成型的夾 芯層；上述夾芯層的厚度是確定的，均為9 11mm。以下通過具體實例，對本發(fā)明的設(shè)計方法作進一步的說明。實例1 本發(fā)明的設(shè)計方法，包括以傳統(tǒng)電桿結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計其電桿壁厚的步驟以及在該 電桿外壁覆有抗老化功能表層的步驟，具體步驟如下1)將該復(fù)合材料電桿壁厚設(shè)計為三層，由內(nèi)至外分別為內(nèi)蒙皮、夾芯層與外蒙皮； 其中，內(nèi)蒙皮與外蒙皮均由玻璃纖維增強熱固性樹脂纏繞層構(gòu)成；2)確定步驟1)所述玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系所用的原料及配比量；確 定所述夾芯層的材料及成型方式；其中，玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系為用若干層玻 璃纖維分別經(jīng)常溫下固化的乙烯基樹脂膠液浸漬后按規(guī)定的纏繞方向角順序纏繞，其中， 乙烯基酯樹脂膠液由乙烯基酯樹脂100份，固化劑3份，促進劑1. 5份，防老化劑3份，色漿 1份混合而成；所用的玻璃纖維為共37層；3)依據(jù)線路工程使用條件的要求，以步驟1)的形式為基礎(chǔ)制作該復(fù)合材料電桿壁厚的試樣，并對該試樣進行測試；分別獲取內(nèi)蒙皮、外蒙皮和夾芯層的彈性常數(shù)及泊松比 性能參數(shù)；其中，內(nèi)蒙皮、外蒙皮的彈性常數(shù)及泊松比為在室溫16°C、相對濕度40%條件 下，纏繞用玻璃纖維材料拉伸彈性模量為40. 9GPa ；彎曲模量為11. 2GPa ；剪切模量5. 2GPa ； 泊松比為0. 33 ；夾芯層的彈性模量為8. 41GPa ；泊松比為0. 36 ；完成測試所用的測試設(shè)備 選用通用的拉伸試驗機；測試標(biāo)準(zhǔn)采用GB1447-2005纖維增強塑料拉伸性能試驗方法、GB/ T1448-2005纖維增強塑料壓縮性能試驗方法、GB1449-2005纖維增強塑料彎曲性能試驗方 法、GB1450. 1-2005纖維增強塑料層間剪切強度試驗方法、GB1450. 2-2005纖維增強塑料沖 壓式剪切強度試驗方法。4)由步驟3)獲得的彈性模量及泊松比等代設(shè)計初步確定所述內(nèi)蒙皮、外蒙皮和 夾芯層的厚度，按照內(nèi)蒙皮厚度與外蒙皮厚度2 3的設(shè)計比例確認(rèn)內(nèi)蒙皮厚度設(shè)計為 4mm，外蒙皮厚度設(shè)計為6mm ；同時，確定內(nèi)蒙皮與外蒙皮所用的玻璃纖維增強熱固性樹脂中 玻璃纖維材料的鋪層方式，所述鋪層方式以纏繞方向角90° /0° /54° /90° /0° /90° 順序進行；5)將步驟3)獲取的彈性模量、泊松比與步驟4)確定的內(nèi)蒙皮、外蒙皮與夾芯層 的厚度以及玻璃纖維材料鋪層方式的數(shù)據(jù)導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中，應(yīng)用ANSYS程序中 Preprocessor-modeling 命令構(gòu)建實體模型，Preprocessor-solution-define loads 命令 在該實體模型上施力口載荷，然后通過Pr印rocessor-solution-solve-current LS命令進行 模擬計算，最后通過后處理階段中 General postprocessor-plotresults-contourplot-no dal solution-stress-von Mises stress 禾口 General postprocessor-plotresults-cont ourplot-DOFsolution-displacement vector sum分別得到該復(fù)合材料電桿在不同載荷工 況時的應(yīng)力值302MPa和撓度值261mm ；6)取所述復(fù)合材料電桿設(shè)計的許用應(yīng)力值547MPa，用該許用應(yīng)力值與步驟5)獲
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得的應(yīng)力值302MPa的比值，即安全系數(shù)Z = ^ = 1.81，獲取該復(fù)合材料電桿的安全系數(shù)值
1. 81 ；然后將該安全系數(shù)值和步驟5)程序計算得到的撓度值261mm與設(shè)計要求對比，即在 正常工況條件下所述復(fù)合材料電桿頂端的撓度小于整體電桿高度HX 15%。，安全系數(shù)大于 1. 8 ；結(jié)果滿足設(shè)計要求，則完成復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計，進入構(gòu)件成型的步驟。由步驟4)確認(rèn)符合安全系數(shù)要求的復(fù)合材料電桿，確定內(nèi)蒙皮厚度為4mm，外蒙 皮厚度為6mm ；夾芯層厚度設(shè)計為IOmm ；按照該厚度要求，將每層玻璃纖維布相繼浸漬于乙 烯基酯樹脂膠液后以步驟4)的纏繞方向角將該玻璃纖維布纏繞在預(yù)設(shè)的電桿模具外層構(gòu) 成該電桿的內(nèi)蒙皮；在內(nèi)蒙皮外表面成型夾芯層；該夾芯層采用石英砂與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合成型的設(shè)計方案，具體步驟為①確定所用石英砂為顆粒狀，其粒度選擇為大于80%的石英砂粒度為20 40 目，其余的石英砂最大粒度小于10目；將上述石英砂均勻撒在內(nèi)蒙皮的表面上，在石英砂 表面淋上所述不飽和聚酯樹脂膠液；②取紗布套在纏繞機上，并在147 294N的張力下，與步驟1)同步鋪設(shè)，將石英 砂和淋在其表面的不飽和聚酯樹脂膠液整體包覆并纏繞于內(nèi)蒙皮的表面上形成一層夾砂層。③在步驟②的夾砂層上，重復(fù)步驟①至步驟②；一般情況下，紗布包覆的淋有不飽合聚酯樹脂膠液和石英砂混合料形成夾砂層為2層，每層厚度為4. 5 5. 5mm ；石英砂和不 飽和聚酯樹脂膠液以7 7. 5 2. 5 3的比例混合；以滿足設(shè)計要求的厚度范圍為準(zhǔn)，構(gòu) 成待壓的夾芯層；④利用纏繞機上的壓力輥往返擠壓步驟③待壓的夾芯層，將其夾芯層壓平、擠緊、 使其厚度達(dá)到設(shè)計要求的厚度；得到由2層夾砂層構(gòu)成的夾芯層。待上述夾芯層固化成形后，再在其外表面纏繞外蒙皮，該外蒙皮由經(jīng)乙烯基酯樹 脂膠液浸漬后的玻璃纖維布以與內(nèi)蒙皮相同的纏繞方向角纏繞而成。實例2 本發(fā)明的設(shè)計方法，基本與實例1相同，其不同點在于步驟2)所述玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系所用的原料及配比量中，玻璃纖 維為37層；所用的乙烯基酯樹脂膠液由乙烯基酯樹脂90份，固化劑1份，促進劑0. 2份，防 老化劑1份，色漿0. 2份混合而成；步驟4)確定內(nèi)蒙皮、外蒙皮和夾芯層的厚度，按照內(nèi)蒙皮厚度與外蒙皮厚度2 3 的設(shè)計比例確認(rèn)內(nèi)蒙皮厚度設(shè)計為3mm，外蒙皮厚度設(shè)計為4. 5mm ；步驟6)取所述復(fù)合材料電桿設(shè)計的許用應(yīng)力值547MPa與經(jīng)步驟5)有限元軟件 ANSYS程序計算得出的應(yīng)力值365MPa的比值獲取該復(fù)合材料電桿的安全系數(shù)值1. 49 ；該安 全系數(shù)值與設(shè)計要求對比，安全系數(shù)小于1.8，不滿足設(shè)計要求；同時，經(jīng)步驟5)有限元軟 件ANSYS程序計算得出的撓度值為350mm，與設(shè)計要求值對比，在正常工況條件下該撓度值 大于該復(fù)合材料電桿的高度值HX 15%。，不滿足設(shè)計要求；此時，則需返回步驟4)，重新確 定內(nèi)蒙皮、外蒙皮的厚度和玻璃纖維增強材料的鋪層方式；具體操作為重復(fù)步驟5)，重復(fù) 構(gòu)建實體模型程序，施加載荷，模擬計算等程序，通過ANSYS軟件命令直接改變各結(jié)構(gòu)層的 厚度參數(shù)，按比例增加內(nèi)、外蒙皮厚度；使模擬計算后得到的應(yīng)力值和撓度值完全滿足步驟 6)的設(shè)計要求后，完成所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計；進入構(gòu)件成型的步驟。經(jīng)步驟4)重新確認(rèn)符合安全系數(shù)要求的內(nèi)蒙皮厚度為4mm，外蒙皮厚度為6mm ；夾 芯層厚度設(shè)計為9mm ；按照該厚度要求，將每層玻璃纖維布相繼浸漬于乙烯基酯樹脂膠液 后以步驟4)的纏繞方向角將該玻璃纖維布纏繞在預(yù)設(shè)的電桿模具外層構(gòu)成該電桿的內(nèi)蒙 皮；在內(nèi)蒙皮外表面成型夾芯層；該夾芯層采用蜂窩體與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合成型的設(shè)計方案，其具體操作 為①確定蜂窩體厚度與預(yù)先設(shè)定的夾芯層厚度相同，在內(nèi)蒙皮表面樹脂尚未固化前 將該蜂窩體沿直徑方向從電桿低端到頂端進行包裹；②在步驟①包裹的蜂窩體外表面用玻璃布帶纏繞且繃緊，直至蜂窩體與內(nèi)蒙皮固 化成一體；③將步驟②的玻璃布帶拆掉，用噴壺或噴槍向蜂窩體表面均勻噴射不飽和聚酯樹 脂膠液；④待步驟③噴膠后的蜂窩體常溫固化四個小時后成型為所述的夾芯層。該夾芯層固化成形后，在其外表面纏繞外蒙皮，該外蒙皮由經(jīng)乙烯基酯樹脂膠液 浸漬后的玻璃纖維布以與內(nèi)蒙皮相同的纏繞方向角纏繞而成。實例3
本發(fā)明的設(shè)計方法，基本與實例1相同，其不同點在于步驟2)所述玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系所用的原料及配比量中，玻璃纖 維為37層，其中內(nèi)蒙片13層，外蒙皮24層；所用的乙烯基酯樹脂膠液由乙烯基酯樹脂95 份，固化劑2份，促進劑1份，防老化劑2份，色漿0. 6份混合而成；步驟4)確定內(nèi)蒙皮、外蒙皮和夾芯層的厚度，按照內(nèi)蒙皮厚度與外蒙皮厚度1 2 的設(shè)計比例確認(rèn)內(nèi)蒙皮厚度設(shè)計為4mm，外蒙皮厚度設(shè)計為8mm ；步驟5)經(jīng)有限元軟件ANSYS中，應(yīng)用ANSYS程序構(gòu)建實體模型，在該實體模型上 施加載荷，通過模擬計算得到該復(fù)合材料電桿在不同載荷工況時的應(yīng)力值217MPa和撓度 值 228mm ；步驟6)取所述復(fù)合材料電桿設(shè)計的許用應(yīng)力值547MPa與經(jīng)有限元軟件ANSYS程 序計算得到的應(yīng)力值217MPa的比值獲取該復(fù)合材料電桿的安全系數(shù)值2. 52 ；將該安全系 數(shù)值和步驟5)獲得的撓度值228mm與設(shè)計要求值對比，在正常工況條件下所述復(fù)合材料電 桿頂端的撓度小于整體電桿高度的15%。，安全系數(shù)大于1. 8 ；符合設(shè)計要求，完成所述復(fù)合 材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計。確認(rèn)符合安全系數(shù)要求的復(fù)合材料電桿的內(nèi)蒙皮厚度為4mm，外蒙皮厚度為8mm ； 夾芯層厚度設(shè)計為9 Ilmm ；按照該厚度要求，將玻璃纖維布浸漬于乙烯基酯樹脂膠液后 以步驟4)的纏繞方向角將該玻璃纖維布纏繞在電桿模具的外層構(gòu)成該電桿的內(nèi)蒙皮；在 內(nèi)蒙皮外表面成型夾芯層；該夾芯層采用泡沫層與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合成型的設(shè)計方案，具體步驟為①確定泡沫層設(shè)計厚度為10mm，其材質(zhì)為PVC致密泡沫板，該PVC致密泡沫板密度 為60-90kg/m3 ；并根據(jù)電桿內(nèi)蒙皮的長度及外徑對PVC致密泡沫板進行裁剪；②將步驟①裁剪后的PVC致密泡沫板放入160°C的溫度的恒溫烘箱兩分鐘，將材 料軟化；③將步驟②軟化的PVC致密泡沫板壓制成與所述內(nèi)蒙皮外表面形狀吻合的弧形， 然后在該內(nèi)蒙皮外表面人工淋一層不飽和聚酯樹脂膠液，將呈弧形狀的PVC致密泡沫板與 所述內(nèi)蒙皮粘結(jié)成一體；④在步驟③粘接成一體的PVC致密泡沫板外表面纏繞制備所述外蒙皮。在上述3個實例中，復(fù)合材料電桿外蒙皮的纏繞成型過程中，通過在樹脂中添加 紫外線吸收劑、阻燃劑等材料而得到一定厚度的抗老化功能層；具體操作為在外蒙皮纏 繞過程中，加入了抗老化添加劑和乙烯基酯樹脂配制的組合物，抗老化添加劑的用量占所 用的乙烯基酯樹脂總量的2% 4%;所用的抗老化添加劑選用紫外線吸收劑和光穩(wěn)定劑的 組合物，其中，紫外線吸收劑采用市售的型號為UV-326的紫外線吸收劑和型號為B-225的 光穩(wěn)定劑；紫外線吸收劑與光穩(wěn)定劑以7 3的比例組合。上述實例2與實例3的設(shè)計方案中，所用的不飽和聚酯樹脂膠液可選用市售的306 聚酯膠液或3061聚酯膠液。
權(quán)利要求
一種復(fù)合材料電桿，包括桿體，其特征在于所述桿體的壁厚設(shè)為三層，由內(nèi)至外依次為內(nèi)蒙皮、夾芯層與外蒙皮；所述內(nèi)蒙皮與外蒙皮的厚度比為1∶2～2∶3；所述夾芯層的厚度為9～11mm；其中，內(nèi)蒙皮與外蒙皮均為玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系纏繞而成；所述增強熱固性樹脂由乙烯基酯樹脂90～100份，固化劑1～3份，促進劑0.2～1.5份，防老化劑1～3份，色漿0.2～1份混合而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的復(fù)合材料電桿，其特征在于所述夾芯層為石英砂與不飽和 聚酯樹脂膠液的復(fù)合層、蜂窩體與不飽和聚酯樹脂膠液的復(fù)合層或泡沫層與不飽和聚酯樹 脂膠液的復(fù)合層中任一種。
3.一種復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包括以傳統(tǒng)電桿結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)設(shè)計其電桿壁厚的 步驟以及在該電桿外壁覆有抗老化功能表層的步驟，它還具有如下步驟1)將該復(fù)合材料電桿壁厚設(shè)計為三層，由內(nèi)至外分別為內(nèi)蒙皮、夾芯層與外蒙皮；其 中，內(nèi)蒙皮與外蒙皮均由玻璃纖維增強熱固性樹脂纏繞層構(gòu)成；2)確定步驟1)所述玻璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系的原料及配比量；確定所述夾 芯層的材料及成型；3)依據(jù)電力線路工程使用條件的要求，以步驟1)的形式為基礎(chǔ)制作該復(fù)合材料電桿 所用材料的試樣，并對該試樣進行測試，分別獲取內(nèi)蒙皮、外蒙皮和夾芯層的彈性常數(shù)及泊 松比性能參數(shù)；4)由步驟3)獲得的彈性模量及泊松比確定所述內(nèi)蒙皮、外蒙皮和所述夾芯層的厚度， 并確定所述玻璃纖維增強熱固性樹脂中玻璃纖維材料的鋪層方式；其中，內(nèi)蒙皮與外蒙皮 厚度設(shè)計比例為1 2 2 3;夾芯層的厚度設(shè)計為9 Ilmm;鋪層方式以纏繞方向角 90° /0° /54° /90° /0° /90° 依次進行纏繞；5)將步驟3)獲取的彈性模量、泊松比與步驟4)確定的內(nèi)蒙皮、外蒙皮與夾芯層的厚 度值以及所述玻璃纖維材料鋪層方式的纏繞方向角導(dǎo)入有限元軟件ANSYS中，構(gòu)建實體模 型，施加載荷，模擬計算得到該復(fù)合材料電桿在不同載荷工況時的應(yīng)力值和撓度值；6)取所述復(fù)合材料電桿設(shè)計的許用應(yīng)力值與步驟5)獲得的應(yīng)力值的比值獲取該復(fù)合 材料電桿的安全系數(shù)值；然后將該安全系數(shù)值與撓度值與設(shè)計要求對比，即在正常工況條 件下所述復(fù)合材料電桿頂端的撓度小于或等于整體電桿高度的15%。，安全系數(shù)大于或等于 1. 8 ；若滿足設(shè)計要求，則完成復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計，進入構(gòu)件成型的步驟；7)如果步驟5)獲得的應(yīng)力和撓度經(jīng)步驟6)對比，不滿足設(shè)計要求，則返回步驟4)，調(diào) 整內(nèi)蒙皮、外蒙皮的厚度和玻璃纖維增強材料的鋪層方式；重復(fù)步驟5)至步驟6)，使得到 的應(yīng)力和撓度滿足步驟6)的設(shè)計要求，完成所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于步驟2)所述的玻 璃纖維增強熱固性樹脂復(fù)合體系為用玻璃纖維經(jīng)常溫下固化的乙烯基樹脂膠液浸漬后按 規(guī)定的方向角順序纏繞，其中，乙烯基酯樹脂膠液由乙烯基酯樹脂90 100份，固化劑1 3份，促進劑0. 2 1. 5份，防老化劑1 3份，色漿0. 2 1份混合而成。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于步驟3)所述內(nèi)蒙 皮與外蒙皮的性能參數(shù)均為在室溫16°C、相對濕度40%的條件下，纏繞用玻璃纖維材料 拉伸彈性模量為40. 9Gpa，彎曲模量為11. 2Gpa，剪切模量5. 2Gpa，泊松比為0. 33 ；所述夾芯 層的彈性模量為8. 41GPa ；泊松比為0. 36。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于步驟2)所述夾芯 層的材料為石英砂與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合，其成型步驟為①確定所用石英砂為顆粒狀，其粒度選擇為大于80%的石英砂粒度為20 40目，其 余的石英砂最大粒度小于10目；將上述石英砂撒在所述內(nèi)蒙皮表面上，在石英砂表面淋上 所述不飽和聚酯樹脂膠液；②取紗布套設(shè)在纏繞機上，在147 294N的張力下，該紗布與步驟1)淋有不飽和聚酯 樹脂膠液的石英砂同步鋪設(shè)，且將所述不飽和聚酯樹脂膠液和所述石英砂整體包覆并纏繞 于所述內(nèi)蒙皮的表面上形成一層夾砂層；③在步驟②的第一層夾砂層表面上，重復(fù)步驟①至步驟②，形成第二層夾砂層；④利用纏繞機上的壓力輥往返擠壓步驟③待壓的雙層夾砂層，壓至厚度滿足設(shè)計要求 后，得到所述夾芯層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于步驟②所述石英 砂和不飽和聚酯樹脂膠液以7 7. 5 2. 5 3的比例混合；步驟②、步驟③所述的夾砂層 厚度分別為4. 5 5. 5mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于步驟2)所述夾芯 層的材料為蜂窩體與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合，其成型步驟為①取與所述夾芯層厚度相同的蜂窩體，在所述內(nèi)蒙皮樹脂尚未固化前將該蜂窩體沿直 徑方向從電桿低端到頂端進行包裹；②在步驟①包裹的蜂窩體外表面用玻璃布帶纏繞且繃緊，直至蜂窩體與內(nèi)蒙皮固化成 一體；③將步驟②的玻璃布帶拆掉，用噴壺或噴槍向該蜂窩體表面均勻噴射不飽和聚酯樹脂 膠液；④待步驟③噴膠后的蜂窩體常溫固化四個小時后，在該蜂窩體外表面進行外蒙皮的纏 繞成型。
9.根據(jù)權(quán)利要求4所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于步驟2)所述夾芯 層的材料為泡沫層與不飽和聚酯樹脂膠液復(fù)合，其成型步驟為①取與所述夾芯層厚度相同的泡沫層，其材質(zhì)為PVC致密泡沫板，該PVC致密泡沫板密 度為60-90kg/m3 ；所述PVC致密泡沫板的長度和寬度分別由所述電桿內(nèi)蒙皮的長度及內(nèi)蒙 皮外徑分別確定并裁剪成塊；②將步驟①裁剪后的PVC致密泡沫板放入溫度為160V的恒溫烘箱內(nèi)，將該PVC致密泡 沫板軟化；③將步驟②軟化的PVC致密泡沫板壓制成與所述內(nèi)蒙皮外表面形狀吻合的弧形，然后 在該內(nèi)蒙皮外表面人工淋一層不飽和聚酯樹脂膠液，將呈弧形狀的PVC致密泡沫板與所述 內(nèi)蒙皮粘結(jié)成一體；④在步驟③粘接成一體的PVC致密泡沫板外表面通過纏繞成型所述的外蒙皮。
10.根據(jù)權(quán)利要求3 9任一項所述復(fù)合材料電桿結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，其特征在于所述 抗老化功能表層由抗老化添加劑和乙烯基酯樹脂以2% 4% 96% 98%的
全文摘要
本發(fā)明公開一種復(fù)合材料電桿及其結(jié)構(gòu)的設(shè)計方法，包括如下步驟1)設(shè)計電桿壁厚，由內(nèi)至外依次為內(nèi)蒙皮、夾芯層與外蒙皮；2)確定所用原料、配比量、及成型方式；3)依據(jù)電力線路工程要求，制作試樣，完成測試，獲取內(nèi)、外蒙皮和夾芯層的彈性模量及泊松比性能參數(shù)；確定內(nèi)、外蒙皮和夾芯層的厚度及鋪層方式；4)利用有限元軟件ANSYS構(gòu)建實體模型，施加載荷，模擬計算獲取不同載荷工況的應(yīng)力和撓度值，將其與設(shè)計要求對比；滿足設(shè)計要求，完成設(shè)計；不滿足設(shè)計要求，返回步驟3)重復(fù)步驟3)-4)，直至滿足設(shè)計要求，完成設(shè)計。其設(shè)計利用ANSYS軟件，在滿足結(jié)構(gòu)安全系數(shù)的同時提高了該電桿整體抗彎性能，為復(fù)合材料在電力行業(yè)中的應(yīng)用提供了有益參考。
文檔編號C04B26/10GK101936085SQ20101023540
公開日2011年1月5日 申請日期2010年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月23日
發(fā)明者任宗棟, 劉泉, 彭玉剛, 曹小平, 李濟民, 賈偉, 趙愛軍, 陳澍 申請人:北京玻鋼院復(fù)合材料有限公司