一、問題的提出

1.混凝土電桿的優缺點

  ?混凝土因其價格低廉、絕緣性能好、無需維護而廣泛用作電桿。

  ?但混凝土屬于脆性材料，抗拉強度低，使電桿的抗彎、抗震性能和抗沖擊性能差，在臺風作用時，極易損壞，造成經濟損失和人員傷害，也造成了供電中斷與電力維修困難。

  ?混凝土結構重量大，運輸與安裝也不方便。

2.聚氨酯樹脂的特點

  ?聚氨酯（PU）的分子結構中含有氨基甲酸酯基團（—NH—COO—），擁有良好的力學性能（輕質高強高模量，斷裂延伸率大，耐沖擊），優異的耐酸堿、紫外線和大氣老化性能；成型方便、環保（無苯乙烯揮發）。

  ?纖維纏繞聚氨酯復合材料電桿的優越性能：

 （1）質量輕，容易運輸、搬運和安裝；

 （2）彎曲強度大，斷裂延伸率大，抵抗臺風等的彎曲應力；絕緣性能好；

 （3）耐候性能好，抵抗風吹日曬等惡劣環境。

二、聚氨酯復合材料電桿的結構設計

1. 復合材料產品設計特點：材料結構設計一體化。

 （1）性能設計：充分考慮最終產品的使用目的和使用條件，使設計出復合材料產品與設計要求相同。

 （2）結構設計：強度、剛度與穩定性計算。根據所承受的載荷及使用環境，設計出確保材料安全可靠經濟的結構尺寸。是選用不同材料，結合工藝，在各種載荷組合工況下的力學計算與鋪層的反復過程。

 （3）工藝設計：應盡可能使結構成型方便、成本低廉。

   這三者相互關聯，不能截然分開。結構設計包含了材料設計的所有內容，是復合材料產品合理設計和降低成本的關鍵。

2. 復合材料電桿的結構設計特點與必要性

 （1）雖然電桿的幾何形狀簡單，但和所有復合材料結構一樣，材料為各向異性材料，極具可設計性。

 （2）電桿具有較大的錐度：1/75；纏繞工藝和等直桿不同，使得結構設計中不同截面的材料參數和幾何參數不同。事實上，工藝參數的不同，導致材料的力學性能不同，也導致結構力學行為的迥異。——可設計性

 （3）規范中要求復合材料電桿的力學性能指標相對較高，需要在滿足工藝條件，進行嚴格的鋪層設計才能達到。

 （4）復合材料電桿的承載力一般需要實驗確定。如何根據承載力的需要進行結構設計，做到主動設計與優化設計。這是復合材料結構設計的最高境界。

3. 纏繞式聚氨酯復合材料電桿的結構設計

  （1）準備工作：由設計條件：氣候條件（如溫濕度等）、荷載、長度等，初步選擇電桿的標準荷載級別、制造工藝和原材料。

   以12m長、M級的電桿為例，以聚氨酯樹脂與E玻璃纖維為基體和增強纖維，采用定長纏繞成型工藝制作。

  （2）初步鋪層設計：為達到標準要求的力學性能參數，進行初步的鋪層設計。

注意：因為電桿存在錐度，各處的厚度是不相等的！

單層材料的力學性能由實驗得到，或者在實驗基礎上的理論計算得到；根據經典層合板理論得到層合板的力學性能參數，同時應根據生產企業的工藝水平，結合實驗結果進行適當調整。

  （3）結構計算：建立電桿結構的有限元模型，進行設計承載力作用下的結構計算與分析。必要時調整鋪層設計。

   ?有限元法是結構分析的強有力的工具。

   ?ANSYS是融結構、熱、流體、電磁、聲學于一體的大型計算機輔助設計軟件，為工程界和學術界普遍應用。在復合材料及其結構的研究、分析、數值模擬中得到了廣泛的應用。 

   ?由于復合材料材料的各向異性及復合材料結構的復雜性，采用有限元方法是目前最有效的分析計算方法。

   ?利用有限元方法可以計算復合材料結構中任意點任意鋪層的各個方向的應力、應變以及位移，或者其他力學響應，給出全場顯示；并且選用強度準則進行強度分析。

有限元分析的目的及作用

   ?對復合材料結構的實際服役狀態進行模擬；包括結構的材料組成、幾何形狀與尺寸、荷載、附屬設備等復雜情況，使計算模型盡可能與實際結構一致。

   ?對復合材料結構的應力、應變、變形、穩定性、動力特性等進行計算分析；由此，對復合材料結構設計進行校核和修改。

   ?模擬實際工況，進行復合材料結構的虛擬制造，由此進行復合材料新產品開發。

   ?對結構進行優化設計，在確保安全可靠前提下降低成本。

約束與載荷

承載力實驗中軸向應力云圖

撓度云圖

   改變鋪層參數，電桿的應力與變形就會相應改變，所以可以根據設計條件和使用要求進行復合材料的結構設計。由此可以進行擇優或優化設計。

  （4）根據用戶要求，進行其他載荷工況下的電桿力學性能計算，如風載作用下、地震載荷作用下的結構強度、剛度與穩定性分析，最終的目的是我們設計的電桿既滿足規范要求，也要滿足用戶的要求，使我們設計生產的復合材料產品安全服役。

其他復合材料結構的有限元設計舉例

例1 核電站煙囪：直接建模

拉桿連接

支撐架

支撐架與煙囪連接

管道間的軟管連接

煙囪的不同截面（鋪層、材料、壁厚等參數）

2. 葉片材料性能的有限元模型

荷載

    例：仍以某核電站旁的3米直徑煙囪為例進行說明：計算在受到龍卷風襲擊時的風壓：

    龍卷風的最大風速： 80米/秒；最大旋轉半徑：98米；

    不同的風向所引起的煙囪不同部位的風壓效應不同

煙囪中部的風載計算

0度攻角中部煙囪及反應殼整體速度分布圖

0度攻角中部煙囪及反應殼整體壓強圖

   ?將以上FLUENT計算風壓結果，導入到MATLAB中，進行函數擬合。

   ?將風壓以函數形式施加到煙囪相應節點上，模擬風對煙囪的風載效應。

自重+ 90?攻角風載作用下的計算模型圖

結構失效判斷準則

   ?有限元方法可用有不同的結構失效判斷準則。例如，可以按照強度、剛度（變形）、穩定等問題選擇不同的安全系數；

   ?強度分析除選擇安全系數外，可按照強度比的方法來判斷結構是否失效。

強度分析準則－強度比

   ?由Tsai-Wu應力準則演化而來的。該準則一個重要的特征是：考慮了結構復雜應力狀態，以及復合材料力學性能，尤其是考慮了拉伸強度與壓縮強度的區別 。

  圖中列舉了復合材料層合殼中某結構層的強度比倒數分布云圖，其中最小的強度比為：R =2.33 > 1.6

風力葉片主梁的強度比

最大強度比倒數為0.117828，也即最小強度比為8.5，位于主梁層上。

DN24000-5000m3大型立式貯罐

噴淋管有限元模型

噴淋管某種工況下的強度比倒數

風力葉片結構的穩定性計算分析

玻璃鋼電解槽

長：12米

寬：8米

大型電解槽的有限元計算模型

地下貯罐

變形計算

環向應變

穩定性計算

結語

   ?復合材料結構設計與計算分析是一項多學科的復雜工作，必須與原材料、制備工藝、結構實驗等結合起來。

   ?復合材料結構設計與計算分析無疑將會使制品的設計更加科學、更加經濟。它在復合材料行業中起到了關鍵性的不可替代的作用，也將為復合材料工業的發展起到重要作用。

(武漢理工大學理學院/復合材料結構研究所 朱四榮)