玻纤增强塑料成型参数优化及阀杆性能研究.pdf

基金项目:湖北省重点研发计划立项项目()武汉工程大学第十三届研究生教育创新基金资助项目“复合材料阀杆的模压成型工艺研究”()作者简介:喻九阳()男硕士教授研究方向为绿色化工装备研究与开发、管道机器人通讯作者:陈琦()男博士生研究方向为绿色化工装备研究与开发文章编号:()玻纤增强塑料成型参数优化及阀杆性能研究喻九阳王景勋陈 琦彭 康夏亚忠(武汉工程大学湖北省绿色化工装备工程技术研究中心湖北 武汉)摘要 选择模压压力、保温时间、成型温度 因素进行正交试验以成型材料拉伸性能为指标对乙烯基玻纤增强塑料成型参数进行优化 参数优化后得到材料成型的杨氏模量为 泊松比为 对玻纤增强塑料阀杆扭转性能进行有限元仿真研究预埋件结构参数对阀杆扭转性能的影响 研究结果表明:对玻纤增强塑料拉伸强度影响因素的主次顺序为:模压压力 保温时间 成型温度模压成型参数的最佳水平组合为:成型温度 、模压压力 、保温时间 成型后材料拉伸强度为 增加 当预埋件顶部高度为 、预埋件深度为、预埋件底部形式为椭圆形时阀杆具有最佳抗扭性能阀杆所能承受最大扭矩为 杆体最大变形为 较无预埋件乙烯基玻纤增强塑料阀杆最大扭矩增加 最大形变量减小 关键词 玻纤增强塑料正交实验阀杆预埋件有限元分析扭转性能中图分类号:文献标志码:():.:.年第 期阀 门:概述阀门在石油、化工、造纸、钢铁等行业得到广泛应用在国民经济中占有举足轻重的地位 阀杆作为阀门主要传动件上端连接手柄下端带动阀球转动实现阀门的开闭及流量控制不仅需要有较好耐腐蚀性且需有较高的机械性能 目前阀门多应用金属阀杆虽通过喷涂保护膜等方法提高其耐腐蚀性能但效果仍不乐观 玻纤增强塑料()由玻璃纤维及树脂经过复合工艺制成具有较高力学性能及较强的耐腐蚀性由 制成的零件成本更低、更适用于腐蚀环境且机械性能较好阀杆控制阀门的启闭在使用过程中需承受较大扭矩容易产生断裂失效 洪茂林、彭波、张学星、杨添等人 通过对断裂阀杆进行断面检查、成分分析、金相组织检查、力学性能分析等操作对阀杆断裂原因进行了判断确定金属阀杆断裂是由阀杆韧性、综合力学性能较差引起的 张伟政、王伟波等人通过对比阀体内流体激动频率与阀杆固有频率得到不同开度下阀杆激流共振情况为大口径蝶阀及调节阀的使用安全起到了重大作用 唐元清等人通过理论计算与有限元软件分析对阀球与阀杆接触部位结构进行优化将接触部位形式由方形转变为六边形优化后接触部位应力最大可减小 朱学军等人运用有限元软件对调节阀在不同开度下流道内压差及阀杆扭矩进行分析当阀芯开度为 时流道内压差与扭矩都达到最大并通过减小介质与阀芯接触面积、减小填料中高度、降低阀芯处介质压力 种方案对调节阀结构进行优化优化后结构阀杆扭矩都有所减小 大量学者对金属阀杆进行了研究但复合材料阀杆的性能研究极少模压成型是复合材料成型的主要方法之一模压成型工艺参数对 材料力学性能有直接影响 胡恩源、孙奋丽、李浩、代汉达、马月等人 选取模压温度、保压时间、固化压力、冷却速率等工艺参数进行正交试验优化成型利用优化的工艺参数压制的样品其力学性能得到显著提高 史如静等人通过观察复合材料断面形貌得到模压成型温度、成型压力及降温速率对连续碳纤维增强聚醚醚酮复合材料 型断裂韧性的影响形式并通过正交试验得到最佳参数组合 唐荣华等人对加热时间、保温时间、成型压力等 个因素进行正交试验与单因素实验分析了各因素对复合材料力学性能的影响结果表明细化模压工艺参数可提高复合材料力学性能 宋清华等人通过有限元软件对复合材料成型过程中温度场变化进行了研究并通过响应面法对成型温度、模压压力及保温时间 个模压工艺参数进行优化结果表明利用优化后的工艺参数制得的层合板力学性能有所提高本文对 进行正交试验优化模压工艺参数并对 阀杆进行了扭转强度分析对阀杆结构进行了优化 材料成型参数优化及性能研究 材料成分复合材料的组成成分主要由树脂基体、增强纤维以及其他添加物组成 树脂基体作为粘合剂将纤维粘合在一起玻璃纤维是复合材料的增强体成型后的零件强度受玻纤影响较大 本试验使用材料为材料组成成分如表 所示表 部分成分参数()成分参数玻纤含量乙烯基酯树脂含量填料含量其他添加剂含量 实验仪器为便于得到实验所需试样及保证实验数据准确性利用平板硫化机压制 板材按 纤维增强塑料拉伸性能试验方法要求对同块板材切割 个试样求取其平均值为最终结果仪器型号及产家如表 所示实验仪器如图 所示表 仪器型号及参数名称型号参数产家平板硫化仪 上海添质实业有限公司拉伸试验机 台湾高铁检测仪器有限公司阀 门 年第 期图 平板硫化仪、拉伸试验机 材料性能影响复合材料模压成型制品质量的因素主要有成型温度、模压压力、保温时间 适当的成型温度可降低材料的粘性使之更容易在模具内流动同时避免温度过高使材料表面提前固化适中的模压压力可使树脂更好浸润纤维缩短材料充满模具的时间同时避免树脂被挤出模具适当的保温时间可以保证材料充分进行交联固化反应提高产品性能 本文对模压温度、模压压力、保温时间 个因素选取 水平进行正交试验以材料拉伸性能为指标对材料模压成型工艺参数进行优化 正交试验的因素水平及试验结果分别如表、表 所示表 正交试验的因素水平因素成型温度/模压压力/保温时间/极差为因素最大均值与最小均值的差值极差越大说明该因素对材料力学性能影响越明显 由表 可知 个因素对 拉伸强度影响主次顺序为:模压压力 保温时间 成型温度 成型参数的最佳水平组合为成型温度、模压压力、保温时间 在 制品成型过程中纤维方向具有不确定性为保证材料性能参数的准确性在最佳水平组合情况下对材料进行压制并测 组拉伸性能分别为 、为提高准确性去除一个最大值与最小值然后求取平均数为 拉伸强度增加 计算出杨氏模量为 泊松比为 表 正交试验结果分析实验编号成型温度/模压压力/保温时间/拉伸性能/均值 均值 均值 极差 有限元分析 预埋件参数选取在阀杆中插入预埋件可有效提高阀杆强度阀杆杆体为 材料预埋件为 钢 阀杆预埋件的结构参数会影响阀杆整体的力学性能 预埋件的深度大小及预埋件顶部高度都会直接影响阀杆整体轴向应力分布及阀杆变形程度 预埋件深度过浅会使阀杆应力分布不均降低阀杆抗扭强度若预埋件深度过大因阀杆尺寸要求会使预埋件顶部高度较小减少预埋件与杆体接触面积产生应力集中降低阀杆抗扭强度预埋件顶部高度过高则会产生较大变形会对阀杆密封性能产生影响预埋件底部形式会对阀杆使用寿命及形变产生影响 以阀杆承受最大扭矩为指标优化预埋件结构参数预埋件的底部形式主要有椭圆、正方形以及六边形 种(图)根据阀杆杆体尺寸对预埋件顶部高度以及深度进行选取(图)预埋件深度 选取、预埋件顶部高度 选取、阀杆底部形式高度 为 年第 期阀 门图 预埋件底部形式图 预埋件三视图 材料本构模型选择在扭转载荷作用下阀杆发生弹性应变当扭转载荷超过材料极限载荷后阀杆失效材料本构模型的选取对阀杆扭转仿真至关重要 本文选用各向同性弹性模型屈服模型为 引入结构强度评估工具选取最大等效应力安全工具应力极限类型设为常数值为材料的极限应力当材料最大等效应力超过材料的极限应力则材料失效即安全系数小于 材料属性如表 所示表 与 钢属性材料密度/(/)杨氏模量/泊松比 钢 在对阀杆进行扭转分析时认为预埋件与阀杆杆体接触面体始终粘连在一起预埋件与阀杆杆体选用绑定接触将预埋件设为接触体阀杆杆体设为目标体 根据阀杆实际工作状态对阀杆施加载荷及约束阀杆杆体顶部嵌于阀球键槽通过对预埋件底部施加扭矩使阀杆带动阀球转动 有限元模型的建立网格型式的选取对计算结果的准确性有较大的影响六面体网格较四面体网格在计算精度以及变形特性等方面有较大的优势 仿真计算成本消耗与单元数量成正比与网格尺寸大小成反比所以网格过密会大大增加计算时间 本文采用六面网格对阀杆进行网格划分网格大小选取 阀杆杆体及预埋件网格划分如图 所示图 阀杆杆体、预埋件网格划分 结果分析 无预埋件时阀杆扭转仿真图 为无预埋件阀杆最大扭矩和形变阀杆全部由 制得当阀杆底部形式为椭圆形时阀杆扭转性能最强最大扭矩为 同时阀杆最大形变最大为 图 无预埋件阀杆扭矩、形变情况 预埋件顶部高度对阀杆扭转强度的影响图 为预埋件顶部高度对阀杆性能影响规律由图可知当预埋件深度为、底部形式为椭圆形时预埋件顶部高度在 时阀杆最大扭矩降低 时阀杆最大扭矩增加 时阀杆抗扭性能变化较小且高度在 时阀杆抗扭性能略有减小杆体及预埋件形变逐渐减小当预埋件顶部高度为 时阀杆最大扭矩为 杆体及预埋件形变量分别为 、较预埋件顶高为 时最大扭矩增大 但杆体及预埋件形变量分别降低、较预埋件顶高为 时阀杆最大扭矩、杆体及预埋件形变量分别增加、当预埋件顶部高度为 时阀杆的抗扭性能达到最大且较阀杆最大形变量满足密封要求故预埋件顶部高度取 预埋件深度对阀杆扭转强度的影响阀 门 年第 期图 为预埋件深度对阀杆性能的影响由图可知随着预埋件深度的增加阀杆的抗扭性能逐渐增大 预埋件深度为 时杆体及预埋件的变形量随预埋件的深度增大而减小预埋件深度为 时杆体及预埋件的变形量随预埋件的深度增大而增大 预埋件深度为 时阀杆最大扭矩为 较深度为 时增加了阀杆形变增加 预埋件形变增加 若继续增加预埋件深度与杆体尺寸不匹配且随预埋件深度的增加阀杆形变量逐渐增加会对阀杆处密封造成影响故在不影响密封条件下预埋件深度取 较为合适图 预埋件顶部高度对阀杆性能影响图 预埋件深度对阀杆性能影响 预埋件底部形式对阀杆扭转强度的影响图 为预埋件底部形式对阀杆性能的影响由图可知当预埋件顶部高度为 、预埋件深度为 时预埋件底部形式为椭圆形、正方形及六边形时阀杆的抗扭性能、杆体形变及预埋件形变没有明显变化 抗扭性能上下波动为 杆体形变上下波动为 预埋件形变上下波动为 较圆角、直角与钝角会产生较大的应力集中问题降低阀杆的使用寿命所以预埋件底部形式选取椭圆形图 预埋件底部形式对阀杆性能影响当预埋件顶部高度为 、预埋件深度为、预埋件底部形式为椭圆形时阀杆所能承受最大扭矩为 杆体最大变形为 预埋件最大变形为 杆体、预埋件的应力及形变分布分别如图、图 所示当杆体应力达到最大时预埋件最大应力未达到屈服应力杆体最大应力处为杆体与圆台连接处最大形变处为杆体尾端 较阀杆通体为 材料无预埋件时最大扭矩增加、最大形变量减小 阀杆整体强度明显增强图 阀杆、预埋件应力分布图 阀杆、预埋件形变 结语()对成型温度、模压压力、保温时间 个因素选取 水平进行正交试验以成型后材料拉伸性能为指标对 成型参数进行优化 对 拉伸强度影响主次顺序为:模压压力 保温时间 成型温度 成型参数的最佳水平组合为成型温度、模压压力 、保温时间 ()对阀杆抗扭性能进行仿真分析研究预埋件结构参数对阀杆抗扭性能影响并对其结构参数进 年第 期阀 门行优化 当预埋件顶部高度为 、预埋件深度为 、预埋件底部形式为椭圆形时阀杆具有最佳抗扭性能阀杆所能承受最大扭矩为 杆体最大变形为 预埋件最大变形为 满足阀杆处密封要求()在 中插入预埋件可有效加强阀杆力学性能插入预埋件后阀杆最大扭矩增加 最大形变量减小 参 考 文 献 洪茂林邱启明.阀杆断裂分析.热加工工艺():.彭波王建国裴广会等.超超临界机组电动闸阀阀杆的断裂原因.机械工程材料():.张学星蔡文河张新等.超超临界机组汽轮机 不锈钢阀杆断裂失效分析.金属热处理():.杨添官益豪唐耀波等.流量调节阀阀杆断裂失效分析.江苏科技大学学报(自然科学版)():.张伟政赵鹏博张作丽等.大口径蝶阀流固耦合特性及共振特性的研究.振动与冲击():.王伟波郝娇山刘柏圻等.超低温调节阀阀杆流激共振分析.振动与冲击():.唐元清辛舟焦伦龄.基于 的硬密封球阀球体与阀杆接触部位优化设计.煤矿机械():.朱学军杨方元田小青等.油煤浆调节阀阀杆扭矩成因分析及结构优化.中国工程机械学报():.胡恩源张学文陈俊等.热塑性聚氨酯模压成型工艺优化.工程塑料应用():.孙奋丽郭平安边翊等.热固性预浸料模压成型工艺参数实验研究.锻压技术():.李浩邵将张玡珂等.连续玻璃纤维/丙纶纤维混纺织物增强聚丙烯复合材料模压成型工艺.塑料工业():.代汉达曲建俊庄乾兴.模压工艺对 /复合材料力学性能的影响.吉林大学学报(工学版)():.马月钱天宝王玲等.模压工艺参数对热塑性/复合材料力学性能的影响.工程塑料应用():.史如静吴举周剑锋等.模压成型工艺参数对/复合材料型层间断裂韧性的影响.高科技纤维与应用():.唐荣华杨旭静郑娟.长玻璃纤维增强聚丙烯复合材料热模压成型工艺的研究.玻璃钢/复合材料():.宋清华肖军文立伟等.模压工艺对玻璃纤维增强聚丙烯复合材料层合板力学性能的影响.复合材料学报():.(收稿日期:)上接(第 页)过程的经济性 在设计时允许位置固定且便于返修的缺陷可提高返修的便利性从而降低返修成本()有限元分析在结果上与实际情况存在一定的偏差但分析效果有较好的借鉴意义()后续将对降低连接筋处缩松和缩孔缺陷的工艺以及如何有效减少工艺流程进行研发提高铸造生产的经济性参 考 文 献 常占东应启戛.轴流型调节阀结构性能分析.阀门():.李勇.控制阀在大落差长输管道上的应用.化工设备与管道():.李弘英赵成志.铸造工艺设计.北京:机械工艺出版社.中国机械工程学会铸造分会编.铸造手册.铸造工艺.北京:机械工艺出版社.姜希尚.铸造手册 铸造工艺.北京:机械工艺出版社.王文清李魁盛.铸造工艺学.北京:机械工艺出版社.房贵如陈琦.铸造企业质量管理及检验.北京:机械工艺出版社.陈琦彭兆弟.实用铸造手册.北京:中国电力出版社.李化芳王玲玲武玉海.华铸 在阀体铸件工艺中的应用.见:中国铸造活动周论文集.郑州:.聂小武.铸钢件缩孔及缩松缺陷的消除.铸造():.白清华.低压铸造大型壁厚不均铸件缩松的解决.特种铸造及有色合金():.魏胜辉卢景秀张帆等.均衡凝固技术在精密铸造三通件上的应用.铸造技术.():.石远进马波.某大型精密铸钢件铸造裂纹仿真分析及改善.特种铸造及有色金属():.陈淑惠.阀门铸钢件的裂纹缺陷分析及工艺控制.铸造技术():.范金辉.铸件热节动态性的研究.铸造():.(收稿日期:)阀 门 年第 期