摘　要：介绍了玻璃钢复合材料的性能，并用大型结构分析软件ANSYS对一个玻璃钢复合材料制作的信号灯架进行了有限元分析，与普通钢材信号灯架进行了分析和比较。介绍了玻璃钢信号灯架的制作方法，强调以玻璃钢材质取代普通钢材，符合保护环境资源的目的。
关键词：玻璃钢 信号灯架 制作 ANSYS

　　玻璃钢，又称为驶璃纤维(GF增强塑料，它是以合成树脂为基体，以GF为骨架的一种复合材料，其发展快、应用广，具有强大的生命力。近年来．玻璃钢制品在国防、航空、造船、汽车、建筑等领域得到广泛应用。传统的交通信号灯架都是采用金属材料制作，但金属材料存在自重大、易腐蚀等缺点，而玻璃钢复合材料则具有较高的比强度、比刚度和耐腐蚀等性能，因而在交通建设工程中具有发展前途。

1　玻璃钢复合材料

1.1　玻璃钢复合材料的组成
　　玻璃钢复合利料是由GF增强材料、树脂、填充物和填加剂组成。GF具有很高的刚度和抗拉强度树脂具有很高的抗压强度和使GF粘结成整体的性能，填充物可以减少收缩的影响，而填加剂不但可以改善复合材料的力学性能和物理性能，还可以改善其工作性能。
1.2　玻璃钢复合材料的特点
　　(1)轻质、高强
　　玻璃钢密度为1.8 g/cm3左右，是普通钢材的20％~25％，而且强度高，其拉伸强度达到500MPa左右，与普通钢材接近。其比强度高，达到或超过合金钢。具有运输安装和维修方便的特点。用高强GF、芳纶纤维和碳纤维组成复合材料筋束，其拉伸强度高于高强钢丝，用无碱GF做成的复合材料筋束，其拉伸强度与高强钢丝接近。
　　(2)耐腐蚀好
　　玻璃钢结构具有优良的耐化学药品性，适应环境的能力较强。
　　(3)可设计性
　　玻璃钢可以通过改变其原材料种类、数量比例满足不同的性能要求。
　　(4)良好的施工工艺性能
　　可以通过不同的成型方法和模具，方便加工成所需要的形状。适合施工现场组装。
　　(5)综合造价低
　　玻璃钢作为新型材料，由于具有质轻、耐化学药品性、使用寿命长等特点，其综合造价低。

2　玻璃钢复合材料的结构分析

2.1　有限元软件ANSYS介绍

　　结构分析软件 ANSYS软件广泛应用于航空航天、机械制造、汽车交通、土木工程、造船等一般工业及科学研究领域。ANSYS软件为用户提供了强大的实体建模及网格划分工具，直接建模与实体建模相结合，可对各种物理场量进行分析。
2.2　模型、荷载及边界约束
　　交通信号灯架的结构特性：单元类型选择Beam188单元，分析模型采用直接建立单元，定义了三种截面，分别为立柱截面。水平横杆截面和水平横杆间支撑截面。
　　荷载及边界条件定义：信号灯主要承受风力水平荷载和显示牌与信号灯竖向荷载，考虑到风力大且频繁，故把风力作为控制荷载来分析结构。根据实际，信号灯架均在底部固定。所以结构分析时，在信号灯与地面接触处施工固定约束。
　　本次分析设定标准风荷载为0.45kN/m3，并在悬臂部分外边的两个接点施加等效的集中荷载（与信号牌的风荷载等效）。
　　材料定义：分别定义了玻璃钢复合材料属性和普通钢材的材料属性，以便比较玻璃钢复合材料和钢材之间的力学特性。
2.3　计算结果分析比较
　　(1)应力分析
　　玻璃钢和钢材两种材料在荷载作用下的应力分析分别如图1、图2所示。

　　玻璃钢和钢材两种材料的比较见表1。

　　由图1、图2、表1可见，两种材料信号灯架悬臂结构的大应力相同，玻璃钢信号灯架的位移较大。但就其比强度和比刚度而言，玻璃钢信号灯架则有其明显优势。

3　玻璃钢灯架的制作技术研究

3.1　玻璃钢灯架的加工技术
　　制作玻璃钢灯架的主要原料：0.2~0.24 mm厚的粗沙GF方格布，不饱和聚酯树脂，过氧化环已酮。有机染料适量，聚酯薄膜及油膏等脱模材料。
　　加工程序为：
　　(1)裁剪GF方格布：将GF方格布裁剪成块。
　　(2)配置胶液：按照配比称好各种原料，调制成胶液。
　　(3)成型：先均匀地涂刷一层配置好的树脂，要求涂刷均匀，不得有漏刷。接着铺放一层GF方格布（剪去毛边），由中间向四周用力挤压，以消除皱纹及树脂与GF布之间的气派（必须在树脂凝胶时间之前完成）。然后再刷一层树脂，使GF布充分浸渍，无皱纹和气泡，再继续铺放GF布。
　　(4)固化：固化时间约一天，固化后脱模，进行裁边整理。
3.2　玻璃钢灯架的工艺控制措施
　　(1)控制胶液粘度
　　在树脂胶液调和前，对树脂进行加热，降低树脂粘度，这一措施除了能够改善树脂胶液对粘贴纤维的浸润外，还能增强树脂胶液的流动性，使多余的树脂胶液迁移至工作表面。
　　(2)粘贴过程表面刮胶
　　附着在工件上的树脂胶液需要用刮胶工具逐层刮除，避免由于胶液存留使灯架的壁厚产生较大变化。
　　(3)控制纤维粘贴张力
　　为了控制灯架的变形，虽然在铺层结构上采取了相应的措施，但缠绕张力对灯架变形的影响依然不可忽视，在实际操作中缠绕纤维张力采用了阶梯
式递减方法。
　　(4)固化后表面胶层去除
　　虽然在灯架试样制作过程中加强了胶液控制，但固化过程中，树脂胶液也会向工件表面迁移，固化后在表面形成富树脂层，为了去除表面富树脂层，缠绕结束后，在表面包缠扒皮布，固化后，将扒皮布连同表面富树脂层一起扒掉。
　　(5)脱模
　　实践证明在工艺上采取措施来降低模具和产品间的摩擦力，确实对灯架脱模起到很大作用，而且机械脱模是行之有教的脱模方式。

4　结　语

　　对玻璃钢材料制成的信号灯架的力学分析表明，其强度和变形能力能满足结构的功能要求。其比强度远优于钢材。因其自重小，可以在大跨度结构中选择使用，目前交通工程中如高速公路和桥梁上的防撞栏杆及城市道路中大量的路灯柱，如果以价格低廉的玻璃钢代替原来所使用的钢材，将大大降低交通工程的造价。
　　对任何一种新材料的认识都是一个相当漫长的过程，由于玻璃钢复合材料具有较高的比强度、比刚度和耐化学药品等性能。因而在交通建设工程中具有发展前途。