第6章、纏繞成型工藝

1、由京7子/學備課筆記第6章、纏繞成型工藝§ 6-1、概述定義：將浸過樹脂膠液的連續(xù)玻璃纖維或布帶，按照一定規(guī)律纏繞到芯模上，然后固化 脫模成為增強材料制品的工藝過程。因此三大過程：預浸、纏繞、固化脫模。細節(jié)見圖7-1§6-1-1、纏繞工藝分類及特點1、干法纏繞預浸紗帶（布帶），加熱粘流后纏繞。特點：嚴格控制紗帶含膠量和尺寸，質(zhì)量穩(wěn)定，速度快，勞衛(wèi)條件好，投資大2、濕法纏繞浸漬無捻粗紗直接纏繞。特點：材料經(jīng)濟，質(zhì)量不穩(wěn)。3、半干法纏繞預浸漬粗紗（或布帶）隨即纏繞到芯模上。特點：無需整套設備，烘干快，室溫操作。§6-1-2、纏繞制品特點1、比強度高F: 3Ti, 4S

2、teel。原因：表面缺陷小（2）避免縱橫交織點和末端的應力集中（3）可控方向與數(shù)量，實現(xiàn)等強（4）纖維含量高80%2、可靠性高克服材料的韌性不夠及缺口帶來的可靠性降低。3、生產(chǎn)率高機械化，大批量。4、成本低無捻減少了紡織等其它工費。缺點：形狀限制，投資大，必須大批量。§6-1-3、原材料纖維增強材料，樹脂基體選擇原則：滿足設計性能指標，工藝性參數(shù)及經(jīng)濟性要求。1、增強材料玻纖(無堿，中堿無捻粗紗，高強纖維)，碳纖維，芳綸纖維等。纖維要求：高檔產(chǎn)品：碳纖維，芳綸纖維(2)制品性能要求(3)表面處理(4)與樹脂浸漬性好(5)各股張力均勻(6)成帶性好2、樹脂基體指合成樹脂與各種助劑組成的

3、基體體系。選用要求：(1)工藝性好，粘度與適用期最重要，適用量 >4小時，r=0.351Pa-S(2)樹脂基體的斷裂伸長率與增強材料相匹配，方能獲得滿意效果。(3)固化收縮率低和毒性刺激小(4)來源廣、價格低§6-1-4、應用航天、導彈、軍用飛機、水下裝置，高強度、質(zhì)量輕的高壓容器，殼體。民用管道，貯罐，質(zhì)輕，耐腐，費低。形成纏繞工藝的兩部分一一空間技術及民用部分。§ 6-2、纏繞規(guī)律§ 6-2-1、纏繞規(guī)律的內(nèi)容由導絲頭（繞絲嘴）和芯模的相對運動實現(xiàn)。1、纖維不重疊不離縫，均勻連續(xù)布滿芯模表面。2、纖維在芯模表面位置穩(wěn)定，不打滑。這是纏繞線型必須滿足的兩點

4、。所謂纏繞規(guī)律：是描述紗片均勻穩(wěn)定連續(xù)排布芯模表面以及芯模與導絲頭間運動關系的 規(guī)律。§ 6-2-2、纏繞線型的分類環(huán)向纏繞、縱向纏繞和螺旋纏繞1、環(huán)向纏繞芯模繞軸勻速轉動，導絲頭在筒身區(qū)間作平行于軸線方向運動。環(huán)向纏繞參數(shù)關系：W=兀 D ctg %b=兀 D cos%b/D=兀cos %D:芯模直徑b:紗片寬a：纏繞角W:紗片螺距 2、螺旋纏繞 芯模繞自軸勻速轉動，導絲頭依特定速度沿芯模軸線方向反復運動。3、縱向纏繞(平面纏繞)導絲頭在固定平面內(nèi)做勻速圓周運動，芯模繞自軸慢速旋轉。圖 7-19tg %=S +2)/(lc+lel + le2)兩封頭極孔相同時：tg o=2r/(2

5、le + lc)即：行tg-12r/(2le + lc)平面纏繞的速比：單位時間內(nèi)，芯模旋轉軸數(shù)與導絲頭繞芯模旋轉的圈數(shù)比。(即芯模轉一周時，導絲頭繞芯模旋轉的圈數(shù))紗片寬度為b,纏繞角為%則速比為：i=b/ 兀 D cos coi=( A /360 1/t)/(1/t)由圖兀D: 360 =S: 8 S=b/cos%代入 i縱向、環(huán)向纏繞視作螺旋纏繞的特例。纖維在芯模表面上排布規(guī)律的研究是通過研究切 點在極孔周圍上的分布和出現(xiàn)的規(guī)律來解決。切點法描述纏繞規(guī)律的基本思路。§6-3-3、線型線型的定義：即連續(xù)纖維纏繞在芯模表面上的排布形式。50由京7子/學備課筆記完整循環(huán)定義：由導絲頭

6、在芯模上完成一次不重復的纖維布線稱為“標準線”-一一反應規(guī)律的基本線型。完成一個標準紋纏繞稱為一個完整循環(huán)。1、切點及分布規(guī)律每條紗片在芯模極孔圓周上只有一個切點，在一個完整循環(huán)中，極孔圓周上只有一個切 點，稱為單切點。在一個完整循環(huán)中，有兩個以上切點稱為多切點切點排布順序:單切點：n=1n=3,n=4,n=5 見圖 7-21n=22、芯模轉角與線型關系導絲頭一個單程，芯模轉角 ©導絲頭往返一次，芯模轉角 a貝U 6=2 一個完整循環(huán)(導絲頭n次往返)，芯模轉角9, 6=&n單切點：芯模轉角。=1個完整循環(huán)纏繞的芯模轉角90|'=360° ± A

7、9以后的 8=(1+N) 360° ± A 9兩切點：芯模轉角 租'=1/2 (360° ± A)以后的 =1/2 (360° 土八)+N 360° =(1/2+N) 360° 士卜電三切點：、四切點： 見書P173(5)五切點：(6)n切點：6=(K/n + N)360 0 ± A /nK/n最簡真分數(shù)各切點不同排布順序的個數(shù)暫不考慮微調(diào)量，線型以導絲頭往返一次時，芯模旋轉的轉數(shù)來表示So=K/n + N= 6/360° =M/n其中M=K + nNM: 一個完整循環(huán)的芯模轉數(shù)則六切點以內(nèi)的線型

8、S0所對應的n, K, N,值值由表7-3表示。例如：4切點的線型S0n=4, K=3, N=3芯模轉角6=1350°M/N=15/4芯模轉數(shù)為15,導絲頭往返數(shù)為4。§6-3-3、轉速比1、轉速比定義：簡稱速比，單位時間內(nèi)，芯模轉數(shù)與導絲頭往返次數(shù)之比。i0=M/n考慮速比微調(diào)部分，實際轉速為：i= &/360 ± /(n 360 )=(K/n + N) ± A /(n - 360 )2、i0與S0的關系i0S0共同點同層纏繞規(guī)律問題不同點纖維在芯模表面的排布型式芯模與導絲頭相對運動關系關系對應，i是S0的代號，數(shù)值上i0 =S03、i的計算A

9、由勺計算較不方便，采用直觀的工藝參數(shù)進行計算，即：A祚?；癁榕c紗片寬度、纏繞角、 芯模尺寸等直觀參數(shù)相關聯(lián)的式子。如圖 7-22AC=BC/cos o(0=b/cos 0A /3600 =AC/ DA = AC 3600 / tD= b/( tD - cos oo)X360°i= io± Ai=(K/n+N) ± b/(n tD - cos co),內(nèi)=A /n這里把各物理量歸納一下：b:紗片設計寬度00：纏繞角n：切點數(shù)N:正整數(shù)D:芯模圓筒段直徑K:使K/N為最簡真分數(shù)，各切點不同排布順序數(shù)A取0時，紗片滯后，脫線。A取0時，紗片超前，壓線。為避免打滑，A 0

10、o§ 6-3-4、線型設計設計的纏繞成型，對應于某個纏繞角，除滿足前面的不重疊、不離縫，均勻布滿芯模 表面纖維位置穩(wěn)定，不打滑，還必須滿足封頭不滑線的條件，要求纏繞在表面上的 每條纖維都是相應曲面的測地線。封頭曲面上，由微分幾何的克列絡定理，測地線方程為：Sin a=ro/r(7-19)a：測地線與封頭曲面上子午線夾角0：封頭極孔圓半徑r：測地線與子午線交點處平行圓半徑r= r。，測地線與子午線交點處的平行圓就是極孔圓，此時a=2。rT, SinaJ , 一直小到筒身段時，Sina最小，再往下Sina不變。說明：封頭曲面上滿足(7-19)式的就是測地線。在筒身段，由于纏繞纖維的連續(xù)性

11、，筒身段的任意纏繞角螺旋線都是測地線。(3)通過上式求得的纏繞角所確定的纖維位置，無論在封頭和筒身段都是測地線，且是穩(wěn)定纏繞。以均勻、布滿且穩(wěn)定纏繞時，芯模的轉角也相應固定。1、由測地線求芯模轉角芯模轉角通過單程線芯模轉角來 得到，例'=8'。中由單程初始的封頭纏繞轉過的角度B (包角)和單程后期的筒身纏繞轉過的角度丫 (進角)。T=/y(7-20)丫的求解W產(chǎn)|1W產(chǎn)l產(chǎn)l/W=l/W X360°W= Q/tg e產(chǎn)l tg 00/70X360°(7-21)B的求解由圖7-25,上極圈，轉過 好90°相應下極圈 0+90°3=2(+90

12、 ° )(7-22)a、過D點作平面n H平面HBC一 DFC (平面H n平面HBC)b、過D點作平面I與筒體相切一 DEC (平面I n平面HBC), DGC (平面I n平面H )c、過G點作平面EFGXDG一EGC (平面 £56 0平面1), FGC (平面 EFGNf面 H),EFC (平面 HBCA平面EFG)d、/FDG=/HBC="一平面與兩平行平面交角相同，/ EDG= co纖維在赤道圓處的纏繞角，/ EGF=/中互余角，平面與兩平行線交角轉換。e、tg«0'=FG/DG=EG/DG - FG/EG= tg 8- cos當=0

13、時，co'二科 就是平面FDG與平面EDG重合，即 /=加代表截平面與軸線夾角 等于纖維在赤道圓的纏繞角，此時 3=180°而 Sin =(h tg o0'-ro)/R=(h tg oO cos-ro)/R(7-23)轉化成一個三角方程求解問題。工程上常用近似式計算：=Sin-1 (h tg o0-r0)/R(7-24)將(7-21), (7-24)代入(7-20)仕'=l tga0/TDX360° +290° + Sin-1 (h tg o0-r0)/R6'=2 &'2、線型的確定在實際生產(chǎn)中，用控制線型和轉數(shù)比這

14、兩個宏觀參數(shù)來實現(xiàn)正常的生產(chǎn)。已知極孔半徑0,芯模半徑R,設計一定切點的線型，求出 r，再算出與該切點的 線型對照，再進行調(diào)整。(1)變長不變角，適用于芯模還未設計之前r = 丫-(r-時)D / (3600 - tgo0)或者 l'=l r (優(yōu)-0 ) / T(2)變角不變長55的W 7子/學備課筆記容器尺寸不許變，而濕法纏繞角根據(jù)實際經(jīng)驗略偏離時，纖維仍不至滑移a= l - tg o/ tD x 360° +290 ° + Sin-1 (h tg a-ro)/R(3)變徑，不變長變徑，a也相應變Sin a0=ro/R卜 l tg 如 Q x 3600 +290

15、0 + Sin-1 (h tg oo-ro)/R3、標準線展開在實際纏繞前進行模擬，高級的用計算機數(shù)字模擬。(1)交叉點數(shù)，交帶數(shù)交叉點定義：交叉點數(shù)：Xn=(M-1)n交帶定義：交帶數(shù)：Yn=M-1(2)交叉點及交帶分布規(guī)律a、筒身被K等分b、交帶間距相等例題：§ 6-4、纏繞工藝纏繞工藝內(nèi)容包含：1、產(chǎn)品的使用、設計、技術質(zhì)量要求，進行結構造型、纏繞線型和芯模設計2、選擇原材料3、產(chǎn)品強度、原材料性能及纏繞線型進行纏繞層數(shù)計算4、選定的原材料和工藝方法，為工藝流程制定工藝參數(shù)5、由線型選設備，為設備設計提供參數(shù)§6-4-1、內(nèi)壓容器的結構選型屬結構設計，目的是高比強度。

16、1、形狀筒球形理論上結構效率最高，最省料身圓筒形理論上 縱環(huán)向壓力不均，不充分利用材料j實際上 線型、設備復雜，不易1實際上 可設計性、成型工藝簡單，易等強度2、筒形容器的封頭外形封頭：均衡型等張力封頭，均衡型平面纏繞封頭，扁橢球形封頭（1）均衡型等張力封頭特點：纖維沿該封頭曲面測地線纏繞并與極孔相切，各點經(jīng)緯向等強度亦能同時得到滿 足，材料用量最少，重量最輕，較理想。工藝條件： a、封頭曲線必須是等張力封頭曲線 b、纖維纏繞軌跡必須是測地線（測地線決定纏繞角） 等張力封頭曲線方程：3d2206I ;P， 卬，尸r/R=r0/R,卬=0 "零周向應力”封頭曲線t=Z/R（2）均衡型平

17、面纏繞封頭特點：傾斜平面和封頭曲面相截的交線。R2/Ri=2-tg2 aRi：封頭曲面經(jīng)線方向的曲率半徑R2：封頭曲面緯線方向（平行圓）的曲率半徑a：封頭纏繞角，封頭纖維與經(jīng)線（子午線）交點處的纖維切線與該點經(jīng)線切線的夾角 （參閱結構設計）57由京7子/學備課筆記(3)扁橢球形封頭方程：§ 6-4-2、纏繞類型的選擇1、制品的結構形狀與幾何尺寸螺旋纏繞一一長管狀制品平面纏繞一一球形、扁橢球、長徑比小于1/4的筒形容器通常用預浸紗(干法)纏繞，極孔直徑不超過筒體的30%。2、強度螺旋纏繞：剪切強度降低平面纏繞：高強度，質(zhì)輕3、荷載特性螺旋：對內(nèi)壓以外的荷載適應性差，多用螺旋加環(huán)向的組合

18、纏繞。平面：減輕適應性差的情況。4、設備螺旋、螺旋加環(huán)：臥式小車環(huán)鏈式纏繞機平面及平面加環(huán)：搖臂式或跑道式纏繞機§6-4-3、螺旋纏繞型參數(shù)選擇1、纏繞角等于或接近測地線纏繞角。濕法纏繞實際纏繞角可控制在測地線纏繞角Sinco=ro/R的偏離810°內(nèi)2、切點數(shù)選可切點線型3、封頭包絡圓極孔包絡圓應逐漸擴大，纖維在極孔周圍排布均勻，減輕極孔周圍附近纖維堆積。4、纏繞順序螺旋向與環(huán)向交替進行。5、鏈條長度小車環(huán)鏈式纏繞機，纏繞角不宜選太小(否則鏈長增大，設備笨重)§6-4-4、纏繞工藝參數(shù)纏繞工序組成：芯模與內(nèi)襯制造，膠液配制，纖維烘干和熱處理，浸膠，膠紗烘干，纏

19、繞，固化，檢測等。主要纖維熱處理和烘干，浸膠與膠液含量，纏繞，固化。1、纖維熱處理和烘干通常無捻紗在6080c烘干24h。例如：石蠟乳劑型浸潤劑除油用熱處理法時，處理條件與殘油量，處理條件與強力關系 如圖7-31, 7-32所示。同時時間，熱處理溫度越高，殘油量越低；熱處理時間越長，相同處理溫度條件下，殘 油量越低，但相對應強力也降低。處理條件適中：溫度350±5C,處理時間6± 1S。處理結果：殘油量0.3%,強力損失15%。2、浸膠與膠液含量(1)含膠量：膠量過高一一制品復合強度降低。膠量過低一一制品孔隙率增加，氣密性、耐老化、剪切強度下降。最佳樹脂含量約為20%,粘度

20、0.351.0Pa So浸膠a、機理：兩階段：第一、表面涂敷，第二、內(nèi)部擴散、滲透b、方式：浸膠式(圖7-33)表面帶膠式(圖7-34),(高溫固化樹脂基體，膠槽水溫參數(shù) 40c左右，常溫固化樹脂基 體，水溫參數(shù)20c左右)3、纏繞張力纏繞張力定義：在纖維纏繞過程中，纖維所受的緊張力稱為纏繞張力。張力一一制品機械性能(強度、疲勞性能)張力小：強度低，疲勞低。張力大：纖維強度損失大，制品溫度下降。張力均勻：束間、束內(nèi)纖維張力均勻。工藝措施：低捻度，張力均勻的纖維，紗片內(nèi)各束纖維平行。(2)張力一一制品密實程度纏繞張力將產(chǎn)生垂直于芯模表面使制品致密的向心力，工藝上稱接觸成型壓力。N=To/r Si

21、n2 ax 104(Pa)To:纏繞張力N/cmr：芯模半徑 cma：纏繞角使制品致密的成型壓力與纏繞張力成正比，但并非成型壓力越大越好，某種玻璃鋼管的成型壓力大到一定值時，體積密度則不再有明顯變化。因此，干法生產(chǎn)密實制品要控制張力。濕法生產(chǎn)中，樹脂粘度影響大，粘度越低，成型壓力越小，粘度越高，成型壓力越大?？紫堵逝c密實程度成正比。(3)張力一一含膠量張力大，含膠量低。濕法中存在外高內(nèi)低的膠液現(xiàn)象，用分層固化或預浸可減輕或避免。(4)張力的施加最佳張力與芯模結構，增強材料強度，膠液粘度及芯模加熱等有關。4、膠紗烘干作用：(i)除去樹脂膠液中溶劑揮發(fā)份，防止起泡。(2)產(chǎn)生初凝，提高制品強度。表

22、7-11說明一定溫度及一定時間下，試件性能最好。5、纏繞速度兩個基本運動：芯模旋轉，導絲頭往復直線運動。紗線速度一一纏繞速度濕法：0.9m/s干法：小車速度0.75m/s6、固化制度(1)加熱：從高分子聚合反應角度看，隨聚合進行，分子量增大，分子運動困難，位阻增 大，活化能較高。加熱比常溫強度提高2025%,提高10 C,速度加快2倍。(2)升溫速度平穩(wěn),通常0.51C/min恒溫最高固化溫度由DTA, DSC決定。一是樹脂聚合反應所需時間二是傳熱時間(4)降溫緩冷(5)固化制度樹脂系統(tǒng)性質(zhì)和制品的物化性能。固化程度超過85%認為制品已固化。(6)分層固化分層固化優(yōu)點：力學角度：抵消壓應力，使初始應力保持一致。工藝角度：提高質(zhì)量均勻性。(7)環(huán)境溫度環(huán)境溫度15C表面溫度40 c64§6-4-5、纏繞張力制度1、概述后上去的纖維對前面的纖維產(chǎn)生徑