一种低挠度防滑复合材料电杆及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种低挠度防滑复合材料电杆，为多层高强纤维和聚氨酯预浸料的复合材料，最内两层高强纤维，中间层利用优化算法得出的缠绕角度和不同的高强纤维满足刚度需求进行缠绕。其中环向缠绕为缠绕角度与电杆截面夹角5

【技术实现步骤摘要】
一种低挠度防滑复合材料电杆及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纤维复合材料，尤其涉及一种低挠度防滑复合材料电杆及其制备方法。

技术介绍

[0002]传统的电杆大都采用木材、钢材和混凝土等材质，这些材质的电杆很多都具有体积大、重量大、搬运困难、易腐蚀、寿命短，电杆施工运输和运行维护困难等问题。复合材料因其强度高、质量轻、耐腐蚀、电绝缘性好、使用寿命长、运输施工方便等特点，近年来在输配电领域得到越来越广泛的应用。
[0003]相比于传统电杆，玻纤增强复合材料杆塔具有比强度高、比模量高、韧性好，绝缘性能好、耐腐蚀性能优、维护难度及频率低、可设计性好等优势，同时复合材料电杆兼具了重量轻、受力不易折断，抗风能力强的特点，在灾后电路抢修、旁路供电等方面发挥了越来越大的作用。随着复合电杆的广泛应用，对于复合材料电杆的承载能力，表面防滑性能、耐久性和抗弯能力的要求不断提高。如何更有效利用高强纤维的优良性能，提高设计潜力，提高其成为复合电杆结构设计所追求的目标。

技术实现思路

[0004]针对现有纤维缠绕纤维复合材料电杆存连续铺放和固定难度高导致的电杆防滑性差挠度大的问题，本专利技术提供一种低挠度防滑复合材料电杆，为多层高强纤维和芳香族聚氨酯预浸料的复合材料，最内两层高强纤维环向缠绕，中间层利用优化算法得出的缠绕角度和不同的高强纤维满足刚度需求进行缠绕。环向缠绕为缠绕角度与电杆截面夹角5
°
～25
°
，纵向缠绕为缠绕角度与电杆截面夹角60
°
～85/>°
。
[0005]本专利技术高强纤维采用自身强度较高的化学纤维，如玻璃纤维、玄武岩纤维或者碳纤维，浸渍芳香族聚氨酯预浸料后缠绕在杆状模具表面，凝固后作为杆状模具的增强纤维复合材料层。本专利技术高强纤维的规格为2000
‑
3000tex，伸断裂强度不小于0.45N/tex。
[0006]进一步，在本专利技术低挠度防滑复合材料电杆表面顺时针和逆时针对称缠绕有两层直径为0.5
‑
1.5mm的尼龙纤维束，尼龙纤维束表面浸渍有脂肪族聚氨酯预浸料，缠绕角度为与电杆截面夹角5
°
～25
°
，尼龙纤维束间距不小于300mm，如图1所示。
[0007]本专利技术芳香族聚氨酯预浸料由以下重量份的组分构成：CR4555/202C
‑
B异氰酸酯120
‑
190份、CR4555/100C
‑
B异氰酸酯100
‑
120份、CR4555/101C
‑
A多元醇80
‑
120份、CR4555/203C
‑
A多元醇90
‑
110份。脂肪族聚氨酯具有抗紫外的性能，和尼龙纤维束设置在最外侧可以赋予电杆耐紫外的性能，本专利技术所述脂肪族聚氨酯预浸料中多元醇比异氰酸酯的重量比为100:108。
[0008]本专利技术低挠度防滑复合材料电杆的制备方法包括以下步骤：
[0009]1)弯曲模拟
[0010]将设计的复合材料电杆内表面利用Creo建模，并导入Workbench平台下的ACP前处
理模块，并对电杆内表面进行10mm面网格划分，利用ACP前处理模块，选取对应复合材料电杆的铺层材料、铺层角度、铺层厚度，进行复合材料电杆铺层，将电杆模型与支撑底座导入静力学分析模块，对组合模型施加弯矩，利用非线性静力学求解器进行挠度仿真分析。
[0011]2)铺层角度优化
[0012]利用ACP模块将生成的电杆模型进行参数输出，在挠度分析后处理结果中，选择电杆的弯曲挠度及PUCK准则IRF因子作为输出参数，将输入输出参数导入参数管理器，选定输入输出参数的变化范围并按照中心复合设计实验方法设置试验集，利用生成的试验集选择kriging响应面构建方法构建二阶响应面，其中铺层角度及铺层材料为响应面的输入参数，复合材料电杆挠度及IRF因子为响应面的输出参数，基于生成的响应面采用MOGA优化算法进行复合电杆铺层材料和铺层角度的优化，求解得到最优铺层材料组合及铺层角度；
[0013]3)配制
[0014]按重量份称取芳香族聚氨酯预浸料，混合后搅拌均匀转移至长条状容器中；按重量份称取脂肪族聚氨酯预浸料，混合后搅拌均匀转移至长条状容器中；
[0015]4)浸渍
[0016]将电杆所用高强纤维和尼龙纤维束分别浸入到步骤1)配置好的芳香族聚氨酯预浸料和脂肪族聚氨酯预浸料中；
[0017]5)缠绕
[0018]将浸渍芳香族聚氨酯预浸料的高强纤维按缠绕设定从杆状模具的根部向顶部缠绕，缠绕总厚度为10
‑
15mm，再将浸渍脂肪族聚氨酯预浸料的尼龙纤维束按缠绕设定从杆状模具底部向顶部缠绕；
[0019]5)固化
[0020]将步骤4)缠绕后的剥线电杆在80℃
‑
95℃下固化2
‑
5h，脱模后得低挠度防滑复合材料电杆。
[0021]本专利技术低挠度防滑复合材料电杆在复合材料刚强度优化过程中根据条件要求实现结构优化的目的，将纤维按照最优的缠绕角度铺设，解决现有电杆存在的挠度大、刚度低的问题，利用最外层环向缠绕脂肪族预浸料的防滑耐磨尼龙纤维束，又能够提高电杆的抗紫外线性能和防滑性能。
[0022]具体地，本专利技术前期采用模拟优化的手段确定最优铺层材料组合及铺层角度还涉及以下具体细节：1、利用ACP前处理模块还包括Workbench平台下复合材料电杆材料设置，电杆内表面采用面网格划分形式，网格长度为10mm，电杆内表面导入ACP前处理模块后，需要进行坐标系关联，选择复合材料属性、铺层生长方向、单层铺层角度和渐变铺层厚度。2、采用静力学分析模块，需对组装的电杆模型进行材料设定、底座网格划分、设置电杆与底座接触形式、求解器设定和后处理结果设置，采用多载荷步的形式批量求解不同工况下的电杆挠度和IRF因子。3、设置试验集包括多种试验方法的选择，具体为Central Composite Design或Optimal Space
‑
Filling Design或Box
‑
Behnken Design或Sparse Grid Initialization或Latin Hypercube Sampling Design试验设计方法。4、响应面构建方法的选择，具体为Genetic Aggregation或Standard Response Surface或Kriging或Non
‑
Parametric Regression或NeuralNetwork或parse Grid响应面构建方法。5、优化算法具体为Screening或MOGA或NLPQL或MISQP等优化算法。
[0023]本专利技术通过模拟优化方法，对试验复合材料电杆进行铺层角度优化，通过优化模型指导复合材料电杆的缠绕，在满足弯曲挠度的情况下对本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种低挠度防滑复合材料电杆，其特征在于，所述低挠度防滑复合材料电杆为多层高强纤维和聚氨酯预浸料的复合材料，最内两层高强纤维为环向缠绕，中间层利用优化算法得出的缠绕角度和不同的高强纤维满足刚度需求进行缠绕。所述环向缠绕为缠绕角度与电杆截面夹角5
°
～25
°
，所述纵向缠绕为缠绕角度与电杆截面夹角60
°
～85
°
。2.根据权利要求1所述的低挠度防滑复合材料电杆，其特征在于，在所述低挠度防滑复合材料电杆表面顺时针和逆时针对称缠绕有二层直径为0.5
‑
1.5mm的尼龙纤维束，尼龙纤维束表面浸渍有脂肪族聚氨酯预浸料，缠绕角度为与电杆截面夹角5
°
～25
°
，尼龙纤维束间距不小于300mm。3.根据权利要求2所述的低挠度防滑复合材料电杆，其特征在于，每层所述高强纤维选自玻璃纤维、玄武岩纤维或者碳纤维中的一种。4.根据权利要求3所述的低挠度防滑复合材料电杆，其特征在于，所述芳香族聚氨酯预浸料由以下重量份的组分构成：CR4555/202C
‑
B异氰酸酯120
‑
190份、CR4555/100C
‑
B异氰酸酯100
‑
120份、CR4555/101C
‑
A多元醇80
‑
120份、CR4555/203C
‑
A多元醇90
‑
110份；所述脂肪族聚氨酯预浸料中多元醇比异氰酸酯的重量比为100:108。5.一种如权利要求1
‑
4任一...

【专利技术属性】
技术研发人员：林培亮，贝赟腾，常扬，马滨滨，刘龙春，魏腾，吴哲，张枫，
申请(专利权)人：广东电网有限责任公司汕头供电局，
类型：发明
国别省市：