摘　要：介紹了玻璃鋼復合材料的性能，并用大型結構分析軟件ANSYS對一個玻璃鋼復合材料制作的信號燈架進行了有限元分析，與普通鋼材信號燈架進行了分析和比較。介紹了玻璃鋼信號燈架的制作方法，強調以玻璃鋼材質取代普通鋼材，符合保護環境資源的目的。
關鍵詞：玻璃鋼 信號燈架 制作 ANSYS

　　玻璃鋼，又稱為駛璃纖維(GF增強塑料，它是以合成樹脂為基體，以GF為骨架的一種復合材料，其發展快、應用廣，具有強大的生命力。近年來．玻璃鋼制品在國防、航空、造船、汽車、建筑等領域得到廣泛應用。傳統的交通信號燈架都是采用金屬材料制作，但金屬材料存在自重大、易腐蝕等缺點，而玻璃鋼復合材料則具有較高的比強度、比剛度和耐腐蝕等性能，因而在交通建設工程中具有發展前途。

1　玻璃鋼復合材料

1.1　玻璃鋼復合材料的組成
　　玻璃鋼復合利料是由GF增強材料、樹脂、填充物和填加劑組成。GF具有很高的剛度和抗拉強度樹脂具有很高的抗壓強度和使GF粘結成整體的性能，填充物可以減少收縮的影響，而填加劑不但可以改善復合材料的力學性能和物理性能，還可以改善其工作性能。
1.2　玻璃鋼復合材料的特點
　　(1)輕質、高強
　　玻璃鋼密度為1.8 g/cm3左右，是普通鋼材的20％~25％，而且強度高，其拉伸強度達到500MPa左右，與普通鋼材接近。其比強度高，達到或超過合金鋼。具有運輸安裝和維修方便的特點。用高強GF、芳綸纖維和碳纖維組成復合材料筋束，其拉伸強度高于高強鋼絲，用無堿GF做成的復合材料筋束，其拉伸強度與高強鋼絲接近。
　　(2)耐腐蝕好
　　玻璃鋼結構具有優良的耐化學藥品性，適應環境的能力較強。
　　(3)可設計性
　　玻璃鋼可以通過改變其原材料種類、數量比例滿足不同的性能要求。
　　(4)良好的施工工藝性能
　　可以通過不同的成型方法和模具，方便加工成所需要的形狀。適合施工現場組裝。
　　(5)綜合造價低
　　玻璃鋼作為新型材料，由于具有質輕、耐化學藥品性、使用壽命長等特點，其綜合造價低。

2　玻璃鋼復合材料的結構分析

2.1　有限元軟件ANSYS介紹

　　結構分析軟件 ANSYS軟件廣泛應用于航空航天、機械制造、汽車交通、土木工程、造船等一般工業及科學研究領域。ANSYS軟件為用戶提供了強大的實體建模及網格劃分工具，直接建模與實體建模相結合，可對各種物理場量進行分析。
2.2　模型、荷載及邊界約束
　　交通信號燈架的結構特性：單元類型選擇Beam188單元，分析模型采用直接建立單元，定義了三種截面，分別為立柱截面。水平橫桿截面和水平橫桿間支撐截面。
　　荷載及邊界條件定義：信號燈主要承受風力水平荷載和顯示牌與信號燈豎向荷載，考慮到風力大且頻繁，故把風力作為控制荷載來分析結構。根據實際，信號燈架均在底部固定。所以結構分析時，在信號燈與地面接觸處施工固定約束。
　　本次分析設定標準風荷載為0.45kN/m3，并在懸臂部分外邊的兩個接點施加等效的集中荷載（與信號牌的風荷載等效）。
　　材料定義：分別定義了玻璃鋼復合材料屬性和普通鋼材的材料屬性，以便比較玻璃鋼復合材料和鋼材之間的力學特性。
2.3　計算結果分析比較
　　(1)應力分析
　　玻璃鋼和鋼材兩種材料在荷載作用下的應力分析分別如圖1、圖2所示。

　　玻璃鋼和鋼材兩種材料的比較見表1。

　　由圖1、圖2、表1可見，兩種材料信號燈架懸臂結構的大應力相同，玻璃鋼信號燈架的位移較大。但就其比強度和比剛度而言，玻璃鋼信號燈架則有其明顯優勢。

3　玻璃鋼燈架的制作技術研究

3.1　玻璃鋼燈架的加工技術
　　制作玻璃鋼燈架的主要原料：0.2~0.24 mm厚的粗沙GF方格布，不飽和聚酯樹脂，過氧化環已酮。有機染料適量，聚酯薄膜及油膏等脫模材料。
　　加工程序為：
　　(1)裁剪GF方格布：將GF方格布裁剪成塊。
　　(2)配置膠液：按照配比稱好各種原料，調制成膠液。
　　(3)成型：先均勻地涂刷一層配置好的樹脂，要求涂刷均勻，不得有漏刷。接著鋪放一層GF方格布（剪去毛邊），由中間向四周用力擠壓，以消除皺紋及樹脂與GF布之間的氣派（必須在樹脂凝膠時間之前完成）。然后再刷一層樹脂，使GF布充分浸漬，無皺紋和氣泡，再繼續鋪放GF布。
　　(4)固化：固化時間約一天，固化后脫模，進行裁邊整理。
3.2　玻璃鋼燈架的工藝控制措施
　　(1)控制膠液粘度
　　在樹脂膠液調和前，對樹脂進行加熱，降低樹脂粘度，這一措施除了能夠改善樹脂膠液對粘貼纖維的浸潤外，還能增強樹脂膠液的流動性，使多余的樹脂膠液遷移至工作表面。
　　(2)粘貼過程表面刮膠
　　附著在工件上的樹脂膠液需要用刮膠工具逐層刮除，避免由于膠液存留使燈架的壁厚產生較大變化。
　　(3)控制纖維粘貼張力
　　為了控制燈架的變形，雖然在鋪層結構上采取了相應的措施，但纏繞張力對燈架變形的影響依然不可忽視，在實際操作中纏繞纖維張力采用了階梯
式遞減方法。
　　(4)固化后表面膠層去除
　　雖然在燈架試樣制作過程中加強了膠液控制，但固化過程中，樹脂膠液也會向工件表面遷移，固化后在表面形成富樹脂層，為了去除表面富樹脂層，纏繞結束后，在表面包纏扒皮布，固化后，將扒皮布連同表面富樹脂層一起扒掉。
　　(5)脫模
　　實踐證明在工藝上采取措施來降低模具和產品間的摩擦力，確實對燈架脫模起到很大作用，而且機械脫模是行之有教的脫模方式。

4　結　語

　　對玻璃鋼材料制成的信號燈架的力學分析表明，其強度和變形能力能滿足結構的功能要求。其比強度遠優于鋼材。因其自重小，可以在大跨度結構中選擇使用，目前交通工程中如高速公路和橋梁上的防撞欄桿及城市道路中大量的路燈柱，如果以價格低廉的玻璃鋼代替原來所使用的鋼材，將大大降低交通工程的造價。
　　對任何一種新材料的認識都是一個相當漫長的過程，由于玻璃鋼復合材料具有較高的比強度、比剛度和耐化學藥品等性能。因而在交通建設工程中具有發展前途。