新型玻璃纤维增强复合材料大棚骨架的工程性能及应用研究

The Engineering Performance and Application of a New Glass Fiber Strengthened Compound Material for the Big Shack 论文作者

论文导师 杨公明,论文学位 硕士,论文专业 机械设计及理论

论文单位 西北农林科技大学,点击次数 30,论文页数 65页File Size5212K

2006-05-01论文网 /lunwen_260664897/

The support of big shack and glasshouse; Compound material; Performance test; Intensity study

设施农业是指利用人工建造的设施和调控技术手段，为动植物生长提供所需环境的一种高效农业生产方式。发展设施农业，对增加土地利用率和农民收入有着重要的意义。设施农业的关键支撑部分就是温室大棚，而目前我国温室大棚在价格和工程性能等方面存在诸多问题，导致在农业生产中难以普及应用。因而，在保证大棚工程性能的基础上，研究一种廉价的新型温室大棚骨架材料，对发展设施农业具有重要的现实意义。 近年多次在中国杨凌农业高新科技成果博览会展示的一种玻璃纤维复合增强材料骨架大棚，在我国北方反映普遍很好，但该技术属山东一个农民发明，几乎没有任何理化和机械性能参数，无法设计计算和正规生产，无法保证使用者的合法利益。为此，本文对这种大棚骨架材料——玻璃纤维增强复合材料的应用性能进行了研究，参照复合材料试验国标对新材料的工程性能进行了试验测定，得出了新型大棚骨架材料的相关性能指标，并按照国家《温室结构设计载荷》标准，应用有限元软件ANSYS8.0，对新材料大棚骨架进行了工程应用上的载荷分析与校核，然后将新型材料骨架和现行其他材料骨架的性能指标进行综合对比，并利用人工神经网络模型进行评判选择。为实际生产应用提供了理论依据，研究结果表明： (1) 在常温下，新型材料的抗压强度为40.59MPa、抗折强度为85.76MPa、拉伸强度为8368MPa、剪切强度为7.53MPa、拉伸弹性模量为1.61GP、硬度为52.1HB。这6种机械性能参数与现有大棚骨架材料相比，抗折强度高于塑钢和混泥土，其他相关机械性能居于塑钢和混凝土之间，满足大棚骨架材料的要求。 (2) 新型材料在吸水饱和的状况下，机械性能显著降低，低于现行大棚骨架材料的性能，表明材料在使用过程中应避免长时间水中浸泡；热老化处理对材料机械性能的影响微小。 (3) 含水量对材料机械性能影响的试验研究表明：材料含水量在0～13％范围内材料性能值下降较缓慢。由吸水性试验得出材料的吸水率为8.31％，在实际大棚条件下放置7天的材料的含水量为6.3％，都在材料性能变化微量范围内。所以认为材料满足大棚骨架材料的机械性能及抗老化性能要求。 (4) 应用ANSYS8.0软件对目前生产中所用的大棚骨架结构进行受载、强度分析，结果表明，对于直径为Φ60mm的现行骨架棒料，两种最危险载荷组合所产生的应力都不到许用应力的50％，拱顶作用150kg集中载荷时的最大应力小于许用应力，所以现行的直径为Φ60mm的玻璃纤维增强材料骨架具有很好的安全性。将棒料直径缩小到Φ Facility agriculture is a high efficiency mean of agriculture production, which has ability to change the environment to

suit the growth requests of beings, by using constructs and some adjusting tools. Developing the facility agriculture can increase additional value and has important meaning in increasing the farmers" income. The key part of the facility agriculture is the big shack and the glasshouse, and at present in China there are a lot of problems about the big shack and the glasshouse in price, engineering functions and so on, causing facility agriculture hard to be popular.These years, a new kind of the big shack support material is widely considered well, which has arisen in the yang ling"s China

Agriculture Forum many times. But that technique is invented by a farmer in Shandong province, almost having no basic parameters of the physics-chemistry and the mechanical performances about the material. The design calculation and regular production can"t be carried on, and the users" legal benefit can"t be well guaranteed. To meet this problem, this paper studied the applying functions of the new big shack material-the glass fiber strengthened compound material. According to the compound material experiment national standards, this research executed some experiments and measured the mechanical performances related big shack and glasshouse support. Applying the software ANSYS8.0, under the station"s standard- 《the glasshouse design loads 》,this dissertation calculated the inner force of the new material support under practical loads and checked the security of the support. Synthetically compared the new material and other support materials in all aspects related to applying and using Artificial neural net carried on a misty adjudication between new material and other present big shack support materials. The all researches displayed

that:(1)After experiments, 6 mechanical performances were known. There are: Compressive resistance 40.59MPa、Bending strength 85.76MPa、Peel strength 83.68 MPa、Shearing strength 7.53 MPa、Elastic modeling quantity1.61GP、Hardness52.1HB.Compared with the other existing support materials, the bending strength is superior to the plastic cement and the baton; other 5 items are between the plastic cement and the baton.

第二篇：新型大棚骨架材料应用性能试验研究

新型大棚骨架材料应用性能试验研究

刘水长，杨公明，张勇

(1.西北农林科技大学机电学院，陕西杨凌712100；2.华南农业大学，广州510640)

摘要:新型大棚骨架材料是一种玻璃纤维复合增强材料，其价格低、可靠性高、劳动强度小，目前已在国内民间实际生产中极小范围内试用。而新材料应用于设施园艺大棚领域的工程性能的试验研究尚属空白。因此，参照国标设定试验方案，按照常规工程材料机械性能试验，测出了基本工程性能参数，得出了该材料可作为现行设施园艺大棚材料代替品的结论，这对于促进设施农业的发展有着划时代的意义。 关键词:园艺学；新型大棚骨架材料；试验研究；性能

0 引言

中国是农业大国，农民、农村、农业问题是关系着南国发展稳定的关键。解决“三农”问题的重点是增加农民收入，实施农业综合开发。因此，大力推广设施园艺新技术、增加农产品附加值，不仅可以活跃农产品的供应市场，而且可以增加农民收入。目前为止，国内外设施园艺实际生产中出现了多种温室大棚，其关键技术也已基本成熟，许多高新技术在控温、控湿、采光等方面得到了广泛的应用。大棚骨架材料也在不断更新进步，常采用的有简易竹术铁丝、钢筋混凝土柱、不锈钢材料、塑钢复合材料等，但由于这些材料受价格、劳动强度、使用寿命等因素的影响，其经济效益大打折扣，使大棚的推广应用也受到一定程度的阻碍。因此，使用成本低廉、性能可靠的材料是解决设施园艺推广问题的关键。山东民间发明了一种复合材料，试验性地应用于温室大棚，其机械工程性能稳定，且具有价格低廉、使用方便、劳动强度低等优点，受到用户的好评，显示出良好的市场前景。为了将该材料更好地推广应用，对其进行理论上的试验证明显得尤为重要。 1 新材料介绍

1.1 新材料的基本属性

新材料以普通玻璃纤维为单向增强体，以环氧树脂、工业盐、石灰粉等为基体原材料，按一定配方加水121混合，并在模内冷却而成。因其用于大棚骨架，所以成品为×4900乳白圆柱杆，断面有云状花纹，常温密度ρ=1.52×10kg/m。按化学成分将其规范为玻璃纤维增强复合材料。

1.2 新材料的制备

新型大棚骨架材料采用渗透法，将敷料均匀地包裹在玻璃纤维上冷压成型。环氧树脂粘度较大，与玻璃纤维粘结力强，在固化过程中能充分填充纤维之间的空隙，而且能很好地保护纤维，是制作复合材料的主要方法。玻璃纤维逐层铺在模子内，经冷固而成。这种工艺可以制作非标准型材料，不足之处是如果敷料与纤维的粘结不充分，将导致材料的性能不稳定。这类方法因为基体稠度小、易于流动，固化时间短，所以成形容易。制作管材之类的轴对称型构件时，还可以通过模具的旋转施加离心力，起到施压作用，以提高材料的均匀性和强度指标。本文所述新型大棚骨架材料是在960的高强度塑料模内冷压固化而成。

2 试验方案 33

新型大棚骨架材料属无机非金属复合材料，宜参照塑料、玻璃钢的相关国标进行试验。由于温室大棚结构及环境特点，主要试验材料在常温、老化、浸水条件下的抗压、抗折、硬度方面的性能。

2.1 抗压强度

2.1.1 试验仪器

抗压强度试验所用仪器为:WE-10万能试验机(测抗压强度)；SY101S-1数显鼓风干燥箱(热空气老化处理)；HWY-30低温恒温水浴培养箱(水浴处理)。

2.1.2 试验方案

首先，将样件分组编号，参照GB1448-78及GB1446-78制备标准样件，尺寸为1Omm×1Omm×25mm。参照GB1446-78，将所有样件进行预处理，温度为200℃，常温常态，时间为24h；参照GB7141-86，对材料进行老化处理，温度为800℃时间为168h；参照GB10703-89，将材料进行水浴处理，温度为800℃，周期为24h，两个周期。然后，分别将常温常态、水浴处理、热空气老化处理下的样件参照GB1448-78进行抗压强度试验。

2.2 抗折强度

2.2.1 试验仪器

抗折强度试验用仪器为:YT010-1000综合强力机(测抗折强度)；SY101S-1数显鼓风干燥箱(热空气老化处理)；HWY-30低温恒温水浴培养箱(水浴处理)。

2.2.2 试验方案

首先，将样件分组编号，参照GB3356-82及GB1446-78制备标准样件，尺寸为12.5mm×4mm×74mm。参照GB1446-78，将所有样件进行预处理，温度为20℃，常温常态，时间为24h；参照GB7141-86；对材料进行老化处理，温度为80℃，时间为168h；参照GB10703-89将材料进行水浴处理，温度为80℃，周期为24h，一个试验周期。然后，分别将常温常态、水浴处理、热空气老化处理下的样件参照GB3356-82进行抗折强度试验。

2.3 硬度

2.3.1 试验仪器

硬度试验的仪器为:HBS-62.5数显小负荷布氏硬度计(测硬度)；SY101S-1数显鼓风干燥箱(热空气老化处理)；HWY-30低温恒温水浴培养箱(水浴处理)。

2.3.2 试验方案

首先，将样件分组编号，参照HG2-168-65及GB1446-78制备标准样件为1Omm×2Omm×3Omm；

参照GB1446-78，将所有样件进行预处理，温度为20℃，常温常态，时间24h。参照GB7141-86，对材料进行老化处理，温度为80℃，时间为168h；参照GB10703-89将材料进行水浴处理，温度为80℃，时间为24h。然后，分别将常温常态、水浴处理、热空气老化处理下的样件硬度试验试验。

2.4 材料含水量对性能影响试验

由于材料含有吸水性物质，温室大棚空气湿度较大，可能影响材料的性能，为此应测试材料吸水性能及不同含水量下的性能。由于硬度是由起始塑性变形抗力和继续塑性变形抗力决定的，材料强度越高，塑性变形抗力越高，硬度值也越高，故硬度值与强度值之间具有近似关系，且硬度试验简单易行。所以，本文采用

硬度试验代替机械性能试验。

2.4.1 含水率硬度试验仪器采用分析天平测质量，采用HBS-62.5数显小负荷布氏硬度计测硬度。

2.4.2 试验方案

参照HG2-168-65及GB1446-78制备标准样件为1Omm×2Omm×3Omm。将材料编号，分别对样件材料进行不同吸水率下的硬度试验。

3 试验结果分析

3.1 抗压强度

表1 不同状态下材料的抗压强度

状态 常温常态 水浴24h 水浴48h 热空气老化 根据抗压强度试验方案数据处理得出4种状态下的抗压强度，如表1所示。

37.98

44.03

均值

由表1可知:常温常态下、水浴处理24h、水浴处理48h、热空气老化，材料的抗压性能分别为40.59Mpa｀，

9.87MPa｀，9.81MPa｀，40.5OMPa｀。水浴及热空气老化处理后，抗压性能分别是常态的24.34%，24.19%，99.78%；水浴处理1天后，材料的吸水达到饱和，所以继续放置水中对材料的性能影响微小。当前生产实际中用的塑钢抗压强度一般为34.O1MPa左右，常用钢筋水泥混泥土抗压强度为45MPa左右。由此可知，该材料与现行材料抗压性能相当，能够满足大棚骨架要求。

3.2 抗折强度

根据抗折强度试验方案数据处理得出3种状态下的抗折强度，如表2所示。

表2 不同情况下材料的抗折强度

状态 常温常态 水浴处理 热空气老化

均值

由表2可知:常温常态下、水浴处理后、热空气老化后，材料的抗折强度分别为85.76MPa，

16.5OMPa｀，83.97MPa；水浴及热空气老化处理后，性能分别是常态的19.23%和97.91%。当前试验用的塑钢抗折强度一般为10.9MPa，常用的钢筋水泥混凝土的抗折强度为5MPa左右。可知该材料与现行材料相比具有良好的抗折强度，其可以满足大棚骨架的要求。

3.3 硬度

根据硬度试验方案数据处理，得出3种状态下的硬度，如表3所示。

表3 不同情况下材料的硬度

状态 常温常态 水浴处理 热空气老化

均值

由表3得出:常温常态下、水浴处理后、热空气老化后，材料的硬 度分别为52.1HB，19.18HB和45.4HB。水浴及热空气老化处理后，硬度分别是常态的36.8%和87.14%。

3.4 材料含水量对性能影响试验

由上述3个试验结果可知，水分对材料性能影响较大，根据试验方案得到不同含水率下的材料硬度如表4所示。

表4 不同含水量下的硬度

参数 硬度/HB 含水率/%

由表4知，水分对材料的性能影响较大，而大棚骨架材料必须直接与温室中的水蒸气相接触，温室大棚内湿度大致在80%~90%左右，有时夜间最高也可达100%。将φ4O×25圆棒料放置于温室大棚(相对湿度为80%~90%)内7天测得其吸水率仅为

6.33%。

采用MATLAB对含水率一硬度曲线进行多项式拟合。

硬度函数表达式为

f(x)=-4.4346×10χ+1.2713×10χ-0.1319×10χ+79

式中 χ一含水率；

f(χ)一硬度。

用MATLAB绘图如图1所示。 43424

令χ=0.063，得硬度f(χ)=35.89，故大棚湿度对材料的影响较小。同时，由于耕作习惯、通风、光照等影响，材料总是处于吸水和失水的循环当中，水分很难在材料内部长期存留或渗透，能够满足大棚骨架的安全性要求。

4 新型大棚材料其它性能分析

新型大棚材料—玻璃纤维增强复合材料与现行温室材料的对比如表5、表6所示，玻璃纤维增强复使材料具有许多其它现行材料无法相比的优点，在降低成本方面尤其明显。

表5 不同大棚材料的价格寿命对比

所用材料 使用年限 总造价/元?hm 15000

-2

简易竹木塑钢钢筋混凝土玻璃纤维复合材料

10

表6 其他性能模糊评价

项目 后期劳动力 表面质量 廉价 劳动强度 对土壤影响 质量 配套设备

5 结论

通过试验，新型大棚材料的常温抗压强度、抗折强度、硬度分别为40.59MPa，85.7MPa，52.1HB，满足大棚骨架材料的要求。与现行大棚材料进行对比分析认为:玻璃纤维增强复合材料表面光滑美观、质轻、耐高温、防腐蚀。此新型材料是一种寿命长、价格低廉、使用方便、美观、劳动强度低的工程材料，在设施园艺大棚中应用，有着良好的应用前途。

来源：《农机化研究》

竹木 大 一般 好 大 小 轻 少

钢筋混凝土

大 差 一般 大 大 重 多

塑钢 小 美观 贵 一般 小 一般 多

玻璃纤维复合材料

小 美观 好 一般 一般 轻 一般

90000 45000