缠绕成型工艺及设备课件

缠绕成型工艺及设备课件1目录7.1概述7.2芯模7.3缠绕规律7.4缠绕工艺设计7.5锥体缠绕目录7.1概述2概述7.1.1纤维缠绕工艺的分类7.1.2纤维缠绕增强塑料制品的优点7.1.3原材料7.1.4纤维缠绕工艺的应用概述7.1.1纤维缠绕工艺的分类37.1概述7.1.1纤维缠绕工艺(FilamentWinding)及其分类缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。7.1概述7.1.1纤维缠绕工艺(FilamentWi4缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图5干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。1.干法缠绕优点：干法缠绕能够准确地控制产品质量；生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min；缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。缺点：投资较大；制品层间剪切强度较低。

根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软62.湿法缠绕湿法缠绕是将无捻粗纱（或预浸布带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。优点：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好；③纤维排列平行度好；④缠绕时树脂胶液可减少纤维磨损；⑤生产效率高（达200m/min）⑥此法所用设备较简单，对原材料要求不高。2.湿法缠绕湿法缠绕是将无捻粗纱（或预浸布带）浸胶后，在张7缺点：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③固化时易产生起泡；④缠绕设备如浸胶辊、张力控制辊等要经常维护。缺点：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；83.半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去。与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。半干法使缠绕过程可以在室温下进行，这样既除去了溶剂，又提高了缠绕速度和制品质量。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。缠绕法成型的示意图3.半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，97.1.2纤维缠绕增强塑料制品的优点纤维缠绕成型的优点①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40-60%。7.1.2纤维缠绕增强塑料制品的优点纤维缠绕成型的优点②比10思考题：为什么纤维缠绕制品的强度比其他成型工艺制品的强度都高？1）一般材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素。2）一般材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素。思考题：为什么纤维缠绕制品的强度比其他成型工艺制品的强度都高114）缠绕成型，可以控制纤维的方向和数量，使产品实现等强度结构。3）缠绕成型避免了布纹经纬交织点与短切纤维末端的应力集中。5）缠绕成型可使增强材料纤维含量高达80％。4）缠绕成型，可以控制纤维的方向和数量，使产品实现等强度结构12③可靠性高④生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快（240m/min），故劳动生产率高；⑤成本低③可靠性高13缠绕成型的缺点①缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品；②缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高，因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较大的技术经济效益。

缠绕成型的缺点147.1.3原材料缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树脂和填料。选择原则：缠绕制品的使用性能要求、工艺性、经济性。7.1.3原材料缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树脂和15增强材料缠绕成型用的增强材料，主要是各种纤维纱：如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃纤维纱，碳纤维纱，高强玻璃纤维纱，芳纶纤维纱及表面毡等。增强材料16选用要求：（1）航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的炭纤维和芳纶纤维。（2）满足制品的性能要求。（3）纤维必须进行表面处理。（4）与树脂浸渍性好。（5）各股纤维张力均匀；（6）成带性好，不起毛不断头。选用要求：（1）航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的炭纤17树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。2.树脂基体不饱和聚酯树脂环氧树脂双马来酰亚胺树脂树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。2.树脂基体不饱和18选用要求：工艺性好。树脂基体的断裂伸长率与增强材料相匹配，以便获得满意的力学性能。固化收缩率和毒性刺激性小。来源广、价格低。选用要求：工艺性好。19作用：加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收缩率等。如：在胶液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的刚性，减小密度降低成本等。在生产大口径地埋管道时，常加入30%石英砂，用以提高产品的刚性和降低成本。注：为了提高填料和树脂之间的粘接强度，填料要保证清洁和表面活性处理。3.填料作用：加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃207.1.4纤维缠绕工艺的应用1.缠绕成型技术发展现状纤维缠绕工艺最早是在1947年美国开始研究的。美国宇航局和空军材料实验室研制成功复合材料固体火箭发动机壳体。7.1.4纤维缠绕工艺的应用1.缠绕成型技术发展现状纤维缠21我国在1962－1963年总结出纤维缠绕规律，设计出可缠绕各种压力容器的链条式缠绕机，揭开了我国缠绕成型技术的历史。80年代以后，我国自行设计制造的缠绕机技术已达到国际水平，现已进入国际市场。我国在1962－1963年总结出纤维缠绕规律，设计出可缠绕各222.纤维缠绕工艺的应用（1）军工和空间技术应用应用于军工和空间技术方面的复合材料缠绕制品要求精密、可靠、重量轻及经济等。应用实例：固体火箭发动机壳体；固体火箭发动机烧蚀衬套；火箭发射筒；飞机机头雷达罩等。2.纤维缠绕工艺的应用（1）军工和空间技术应用应用于军工和23缠绕成型工艺及设备课件24北极星A1Polaris北极星潜地战略导弹(A1/A2/A3)

规格：长９.６米；宽１.３７米

射程：２４８４海里,,４６００公里,,

发射重量：１５８５０公斤发射方式：二节推进；固态燃料

导引系统：惯性

弹头：３枚当量各２０万吨多重重返大气层载具弹头

北极星A1Polaris北极星潜地战略导弹(A1/A2/25北极星A2北极星A226北极星A3北极星A327EPKM（“长征二号E远地点发动机”的英文简称）是原中国航天工业总公司河西化工机械公司研制开发的近地点发动机（图1），配合长征二号E捆绑式火箭承担外星发射任务。燃烧室壳体材料为玻璃纤维增强塑料，采用纤维缠绕方式。EPKM（“长征二号E远地点发动机”的英文简称）是原中国航天28缠绕成型工艺及设备课件29随着复合材料的发展，固体火箭发动机壳体大量采用新型增强纤维/树脂复合材料缠绕成型。未来反舰导弹将采用合金钢/纤维缠绕复合壁，以减轻重量，增加强度，改善导弹目标红外特性。随着复合材料的发展，固体火箭发动机壳体大量采用新型增强纤维/30缠绕成型工艺及设备课件31（2）民品方面的应用主要表现为轻质、高强、防腐、耐久、实用、经济等方面，已开发的产品有高压气瓶、防腐管道、贮罐、撑竿、汽车板簧等。最具代表性的为：（2）民品方面的应用主要表现为轻质、高强、防腐、耐久、实用、32①压力容器有受内压容器(如各种气瓶)和受外压容器(如鱼雷)两种。目前压力容器应用广泛，如宇航、火箭、飞机、舰艇等运载工具及医疗等方面都有应用。②化工管道用于输送石油、水、天然气、化工流体介质等，它可部分代替不锈钢，具有轻质、高强、防腐、耐久、方便的特点。①压力容器②化工管道33③贮罐槽车各种用以运输或贮存酸、碱、盐、油介质的贮罐、槽车，具有耐腐蚀性好、重量轻、成型方便等优点。③贮罐槽车34焦化厂用的泡罩塔PVC-FRP焦化厂用的泡罩塔PVC-FRP35意大利迪利亚斯达的葡萄酒酿造设备意大利迪利亚斯达的葡萄酒酿造设备36大庆乙烯工程制造的盐酸聍槽大庆乙烯工程制造的盐酸聍槽37法国SB公司设计制造的FRP-PP法国SB公司设计制造的FRP-PP38武钢冷轧回收塔是依DIN标准设计制造的受压容器按NF标准为法国SB公司设计制造的秦皇岛中阿磷铵洗涤塔武钢冷轧回收塔是依DIN标准设计制造的受压容器按NF标准为法39玻璃钢大型贮罐玻璃钢大型贮罐40岳化1000立方米贮罐制作现场岳化1000立方米贮罐制作现场417.2芯模（Mandrel）7.2.1芯模材料7.2.2芯模的结构形式7.2.3芯模设计7.2芯模（Mandrel）7.2.1芯模材料42成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出。

7.2.1芯模材料成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯43芯模设计的基本要求①要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；②能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；③保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；④制造简单，造价便宜，取材方便。芯模设计的基本要求①要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型44缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材料是指石蜡，水溶性聚乙烯醇，低熔点金属等。

1.常用芯模材料缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材45组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还有内衬材料，内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还46缠绕成型工艺及设备课件47ThishugealuminummandrelisusedtofilamentwindthepayloadfairingfortheBoeingDeltaIVlaunchvehicle.Thishugealuminummandrelis482.芯模材料对纤维缠绕制品的影响芯模材料的膨胀系数影响制品固化后的尺寸精度；芯模材料的弹性模量影响制品的力学性能及尺寸精度；芯模材料的导热高低将影响制品的固化度；芯模中的水分，严重影响树脂系统的固化。2.芯模材料对纤维缠绕制品的影响芯模材料的膨胀系数影响制品49石膏芯模与金属芯模相比有如下特点：缺点：强度低、导热性差；优点：价格低廉、成型工艺简单、容易制成各种复杂的形状，特别对不宜进行机械加工的大型制品更为适宜。石膏芯模与金属芯模相比有如下特点：503.选择和使用芯模材料时注意的问题选定芯模材料应根据制品的生产批量、尺寸形状及性能要求来确定。芯模材料不能被树脂腐蚀，不能影响树脂系统固化。多孔性材料使用前必须烘干。芯模材料的成分应均匀。3.选择和使用芯模材料时注意的问题选定芯模材料应根据制品的51二、芯模的结构形式实心或空心整体式芯模组合装配式芯模有分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式等。二、芯模的结构形式实心或空心整体式芯模有分瓣式、隔板式、捆扎523.石膏隔板组合式芯模它由金属芯轴、石膏封头、石膏隔板、铝管及石膏面层组成，也可以用铝金属型块组合封头代替石膏封头(如下图)。石膏隔板式组合芯模1－芯轴；2－金属嵌嘴；3－石膏封头；4－麻绳；5－铝管；6－石膏隔板；7－石膏面层3.石膏隔板组合式芯模它由金属芯轴、石膏封头、石膏隔板、铝53优点：制作简单，成本低、拆除方便，这种芯模最适用于精度要求高的大、中型单件或少件制品，其尺寸精度可达1mm以内。缺点：高温固化石膏脱水对制品质量有影响；一个芯模仅用一次；仅适用于单件和小批量生产。优点：制作简单，成本低、拆除方便，这种芯模最适用于精度要求高54管道芯模分为整体式和开缩式两种，整体式芯模适用于直径小于800mm的玻璃钢管生产。整体式芯模是用钢板卷筒焊接而成．4.管道芯模整体式管道芯模对其要求：一是具有经过抛光的高精度表面；二是具有锥度，不小于1/1000.管道芯模分为整体式和开缩式两种，整体式芯模适用于直径小于8055大于800mm直径的管芯模，采用开缩式芯模，芯模壳体由经过酸洗的优质钢板卷制而成，表面经过抛光、打磨，具有高精度和高光洁度。开缩式管道芯模大于800mm直径的管芯模，采用开缩式芯模，芯模壳体由经过酸56为了提高生产效率，减少缠绕过程中装、卸管芯模的时间，在缠管机上增设多轴芯模装置，它是一个圆盘回转架，架上可同时装3～6根相同或不同直径的芯模。多轴芯模为了提高生产效率，减少缠绕过程中装、卸管芯模的时间，在缠管机577.2.3芯模设计1.芯模设计需满足的基本要求能够承受缠绕过程的工作载荷、自重及加工时的机械荷载。具有一定刚度、强度，在使用期间保持合乎要求的尺寸。能经受固化温度的作用。易于脱模制造简单、造价便宜、取材方便。7.2.3芯模设计1.芯模设计需满足的基本要求能够承受缠582.芯模设计的内容芯模材料及结构型式的选定；脱模方法及程序的制定；总体结构与芯模零部件设计，包括刚度、强度计算。芯模制造的技术经济指标分析。2.芯模设计的内容芯模材料及结构型式的选定；593.芯模强度、刚度计算(1)芯模受力分析芯模在使用过程中，通常承受以下几种力：缠绕张力、自重、机械加工切削力、惯性力及热应力。1）缠绕张力纤维缠绕通常由环向缠绕和螺旋缠绕组成。张力对芯模表面产生压力，分为径向压力和轴向压力两部分。3.芯模强度、刚度计算(1)芯模受力分析1）缠绕张力60径向压力：是由环向和螺旋缠绕纤维的缠绕张力引起的。芯模所承受的径向压力pr1(Pa)计算公式：这里n－环向缠绕层数F1－每层纱片缠绕张力(N)R－芯模半径(cm)a－环向纱片宽(cm)径向压力：是由环向和螺旋缠绕纤维的缠绕张力引起的。这里n－61螺旋缠绕张力对芯模表面产生的径向压力pr2：其中，F2－螺旋缠绕每层纱片张力的平均值（N);α—缠绕角；b—螺旋缠绕纱片宽(cm)注：缠绕纤维与芯模旋转轴线相交的夹角，称为缠绕角。螺旋缠绕张力对芯模表面产生的径向压力pr2：其中，F2－螺旋62由n层环向缠绕和m层螺旋缠绕张力对芯模表面产生的总径向压力为：由n层环向缠绕和m层螺旋缠绕张力对芯模表面产生的总径向压力为63轴向压力：缠绕张力对芯模产生的轴向压力（仅螺旋缠绕张力的轴向分量）。2）机械加工切削力（2）芯模强度计算（3）芯模刚度计算轴向压力：缠绕张力对芯模产生的轴向压力（仅螺旋缠绕张力的轴向647.3缠绕规律7.3.1概述7.3.1概述7.3.2线型7.3.3转速比7.3.4线型设计7.3缠绕规律7.3.1概述7.3.1概述657.3.1概述缠绕线型必须满足两点要求：（1）纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满芯模表面。（2）纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。1.缠绕规律的内容7.3.1概述缠绕线型必须满足两点要求：1.缠绕规律的内66纤维缠绕规律是研究导丝头（绕丝嘴）和芯模之间相对运动关系的规律，使纱带能均匀排布在芯模表面。纤维缠绕纤维缠绕规律是研究导丝头（绕丝嘴）和芯模之间相对运动关系的规67就筒形压力容器的缠绕规律而言可分为环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕三种类型，而螺旋缠绕是重点，环向缠绕和纵向缠绕也是在特定条件下的螺旋缠绕。分析容器的缠绕规律有标准线法和切点法两种。就筒形压力容器的缠绕规律而言可分为环向缠绕、682.缠绕线型的分类（1）环向缠绕（HoopWinding）环向缠绕是芯模绕自身轴线匀速旋转，绕丝嘴沿芯模筒身轴线平行方向移动，芯模每转一周，绕丝嘴移动一个个纱片宽度。2.缠绕线型的分类（1）环向缠绕（HoopWinding69环向缠绕只在筒身段进行，不能缠封头，邻近纱片之间相接而不相交，缠绕角通常为85º-90º。一般内压容器的成型都是采用环向缠绕和纵向缠绕结合的方式。环向缠绕只在筒身段进行，不能缠封头，邻近纱片之间相接而不相交70环向缠绕参数关系：D—芯模直径；b—纱片宽；α—缠绕角；W—纱片螺距。注：环向缠绕的缠绕角必须大于70°。环向缠绕参数关系：D—芯模直径；注：环向缠绕的缠绕角必须大于71芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方向往复运动。纤维缠绕轨迹（线型）是由圆筒段的螺旋线和封头上与极孔相切的空间曲线所组成。螺旋缠绕（2）螺旋缠绕（HelicalWinding)芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方向往复运动。72螺旋缠绕纤维在封头上提供经纬两个方向的强度，在筒身段提供环向和纵向两个方向的强度。其缠绕角约为12º~70º。螺旋缠绕的特点是每条纤维都对应极孔圆周上的一个切点；相同方向邻近纱片之间相接而不相交，不同方向的纤维则相交。因此．当纤维均匀缠满芯模表面时，就形成了双纤维层。螺旋缠绕纤维在封头上提供经纬两个方向的强度，在筒身段提供环向73(3)纵向缠绕纵向缠绕又称平面缠绕。特点：缠绕时，缠绕机的绕丝嘴在固定的平面内作匀速圆周运动，芯模绕自身轴线慢速旋转，绕丝嘴每转一周，芯模旋转一个微小角度，相当于芯模表面上一个纱片宽度。纱片与芯模轴线间成0º~25º的交角，纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线。纱片与芯模轴线的交角成为缠绕角。(3)纵向缠绕纵向缠绕又称平面缠绕。纱片与芯模轴线间成0º~74平面缠绕参数关系图由此导出：这里r1,r2—两封头极孔半径；lc—筒身段长度；le1、le2—两封头高度。若：r1=r2=r,且两封头高度一样，则平面缠绕参数关系图由此导出：这里r1,r2—两封头极孔半径；75平面缠绕的速比：单位时间内，芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的圈数比（或者芯模转一周时导丝头绕芯模旋转的圈数）。若纱片宽度为b，缠绕角为α0，则速比为：平面缠绕的速比：单位时间内，芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的76平面缠绕适用于球形，椭球形及长径比小于4的短粗筒形容器生产。平面缠绕容器头部纤维有严重架空现象，为了减少纤维架空对制品质量的影响，一般在缠绕不同层次时，使缠绕角α值在一定范围内变化，以分散纤维在端头部的堆积。碳纤维缠绕球形容器平面缠绕适用于球形，椭球形及长径比小于4的短粗筒形容器生产77纤维缠绕视频片断纤维缠绕视频片断78从连续纤维螺旋缠绕规律中发现，纤维绕过极孔圆时，要与极孔圆相切，而在筒身段，同一层中的纤维，有交叉现象。因此，可以通过用出现在封头极孔圆上的切点数和出现在筒身段部分的交叉点及交叉点连线(亦称交带)的数用来表征螺旋缠绕的线型特点和规律。分析螺旋缠绕规律的方法有“切点法”和“标准线法”两种。从连续纤维螺旋缠绕规律中发现，纤维绕过极孔圆797.3.2线型线型是连续纤维缠绕在芯模表面上的排布型式。用切点法描述螺旋纤维缠绕规律，就是研究线型与切点数和分布规律。1.纤维在芯模表面均匀布满的条件7.3.2线型线型是连续纤维缠绕在芯模表面上的排布型式。用80（1）一个完整循环的概念在缠绕过程中，纤维由芯模上的某点开始，经过若干次往复缠绕后，又缠回到起始点上，这样在芯模上完成的一次(不重复)布线，就是一个完整循环。一个完整循环的纤维轨迹，称为标准线。标准线的排布型式，包括切点、交叉点、交带及分布规律，充分反映了全部缠绕纤维的排布规律。（1）一个完整循环的概念81（2）切点数和分布规律螺旋缠绕的纱片，在完成一个完整循环时，在芯模极孔圆周上只有一个切点，称单切点。而在一个完整循环中有两个以上上切点的，称多切点。单切点路径1与7为相邻切点（2）切点数和分布规律单切点路径82缠绕路径其中，a到b,c到d段为圆筒段的螺旋线。缠绕路径其中，a到b,c到d段为圆筒段的螺旋线。83多切点线型在完成一个标准线型缠绕期间，相继出现的任意两个切点，可以依次排列，也可以间隔排列。当n＝3、n＝4、n＝5时，其切点排列顺序如图所示。多切点线型在完成一个标准线型缠绕期间，相继出现的任意两个切点84（3）缠绕纤维在芯模表面均布的条件①一个完整循环的诸切点等分芯模转过的角度，即各切点均布在极孔圆周上；

②前一个完整循环与相继的后一个完整循环所对应的纱片，在筒身段应错开一个纱片宽度距离。（3）缠绕纤维在芯模表面均布的条件852.芯模转角(即缠绕中心角)与线型关系用θ表示一个完整循环缠绕的芯模转角。绕丝嘴往返一次，芯模转角用θn表示，绕丝嘴走完一个单程，芯模转角用θt表示，则(n为切点数）θn=2θt=θ/n不同切点线型θn不同。2.芯模转角(即缠绕中心角)与线型关系θn=2θt86式中，K为正整数，K／n为最简真分数，(K／n十N)值表示不同线型，它代表某特定标准线，Δθ／n表示芯模转角微调量,它保证纱片既不离缝，又不重叠。记为：S0=M/nM=K+nN式中，K为正整数，K／n为最简真分数，(K／n十N)值表示不877.3.3转速比1.转速比的定义单位时间内，芯模转数M与绕丝嘴往返次数n之比，称为速比，即完成一个完整缠绕循环，芯模转数与绕丝嘴往返次数之比。即i0=M/n7.3.3转速比1.转速比的定义单位时间内，芯模转数M与88考虑速比微调部分，实际转速比为：这里i—实际速比；M—一个完整循环的芯模转数；Δθ—芯模转角的微小增量；n—一个完整循环中导丝头往返数（也是切点数）。考虑速比微调部分，实际转速比为：这里i—实际速比；892.转速比与线型的关系线型是指纤维在芯模表面的排布型式，而转速比是芯模与绕丝嘴相对运动的关系。它们是全然不同的概念，但是不同线型严格对应着不同的速比i，所以我们认为线型在数值上等于转速比。即i0=S02.转速比与线型的关系线型是指纤维在芯模表面的排布型式，而907.3.4线型设计1.芯模转角的计算纤维位置稳定条件：要求缠绕在芯模表面上的每条纤维轨迹都是相应曲面的测地线。带封头的圆筒形容器测地线的确定：7.3.4线型设计1.芯模转角的计算纤维位置稳定条件：要91筒身段：任意缠绕角的螺旋线都是测地线。封头曲面：根据微分几何的克列洛定理，测地线方程为sinα=r0/rα——测地线与封头曲面上子午线夹角；r0——封头极孔圆半径；r——测地线与子午线交点M处平行圆半径。当r=r0，α=π/2筒身段：任意缠绕角的螺旋线都是测地线。sinα=r0/rα92按芯模测地线缠绕求得的芯模转角，只有等于用均匀布满两条件确定的芯模转角才能使纤维既满足了有规律均匀布满的几何条件，又满足了纤维位置稳定条件。如何从制品测地线方面求取芯模转角？按芯模测地线缠绕求得的芯模转角，只有等于用均匀才能使纤维既满93所谓单程线是指丝嘴运动一个单程(去或回)在芯模上的布线，如图所示。它由一端封头极孔的切点缠绕到另一端封头极孔的相对切点，即图上的A—B—C—D曲线。单程线芯模转角由AB段对应的中心角θe1、BC段对应的中心角θc和CD段对应的中心角θe2组成。如果两端封头相同则此时单程线芯模转角为θt=θc+2θe所谓单程线是指丝嘴运动一个单程(去或回)在芯模上的布线，如图94单程线缠绕对应芯模转角单程线缠绕对应芯模转角95圆筒段单程线芯模转角如图所示。将圆筒面展开，则在圆筒段上的螺旋线BC′变为平面上的直线BC，缠BC′所转过的角对应的圆弧为B′C′，该弧长为B′C=Lctgα0又B′C=B′C′所以即圆筒段单程线芯模转角如图所示。将圆筒面展开，则在圆筒段上的螺96通常采用平面假设法对封头芯模转角进行计算。（2）封头芯模转角θe的计算封头缠绕芯模转角为θe＝2（90°+γ）通常采用平面假设法对封头芯模转角进行计算。（2）封头芯模转角97缠绕成型工艺及设备课件98所以所以单程线芯模转角θ’t=θc+2θe=所以所以单程线芯模转角θ’t=θc+2θe=992.线型的确定(1)容器允许改变圆筒段长度L，α0可不变，调整后的筒身段长度这里γ－以原长L计算的，完成筒身段缠绕的芯模转角；θ′t－以原长计算的测地线缠绕单程线芯模转角；Θt－满足均匀布满条件的芯模转角，由线型表查得。要使得芯模转角与相等，则可2.线型的确定(1)容器允许改变圆筒段长度L，α0可不变100(2)容器尺寸不许变，调整缠绕角。改变后的缠绕角：(2)容器尺寸不许变，调整缠绕角。改变后的缠绕角：101（3）允许改变极孔直径，根据公式sinα=r0/r用试算法求出合适的极孔直径及缠绕角。（3）允许改变极孔直径，根据公式sinα=r0/r用试算法102缠绕成型工艺及设备课件1033.标准线展开图（1）交叉点数、交带数的计算交叉点：纤维在一条完整的标准线中的重叠处称为交叉点。螺旋缠绕线型不同，其交叉点数及交叉点位置是不同的。标准线展开图即纤维在芯模表面完成一个完整循环的缠绕轨迹。3.标准线展开图（1）交叉点数、交带数的计算交叉点：纤维在104交叉点迹线(交带)：在一条完整的标准线上交叉点在垂直于筒体轴线方向的连线称为交叉点迹线或交带。螺旋缠绕的线型不同，其交带数也不同。交叉点迹线(交带)：在一条完整的标准线上交叉点在垂直于筒105交叉点数：Xn=(M-1)n交带数：Yn=M-1这里M为一个完整循环的芯模转数；n为一个完整循环的切点数（导丝头往返次数）（2）交叉点及交带的分布规律1）筒身圆周被分成K等分，K=2n;2）交带间距相等。交叉点数：Xn=(M-1)n（2）交叉点及交带的分布规律1）106由标准线展开图可以直观显示出不同的缠绕参数对应的排布花纹，并显示了对应的交叉点和交带数目。由标准线展开图可以直观显示出不同的缠绕参数对应的排布花纹，并1071)按Lc和πD作筒身的展开图，并将筒身圆周分成K部分；2)从展开图矩形的左下角向右上角划斜线，每根斜线应跨越交带部分；3)在矩形图两端(即基准线处)应绕过180度弧线；4)继续作图直至回到矩形左下角(即原出发点)便完成了标准线展开图。标准线展开图的作图步骤：1)按Lc和πD作筒身的展开图，并将筒身圆周分成K部分；108S0=3/2S0=2/1S0=5/2S0=3/2S0=2/1S0=5/21097.4缠绕工艺设计缠绕成型工艺设计内容包括：（1）根据设计要求，技术质量指标，进行缠绕线型和芯模设计；（2）选择原材料，（3）根据产品强度要求，原材料性能及缠绕线型进行层数计算，（4）根据选定的工艺方法，制定工艺流程及工艺参数；（5）根据缠绕线型选择缠绕设备。7.4缠绕工艺设计缠绕成型工艺设计内容包括：（1）根据设计110一、内压容器的结构选型纤维缠绕压力容器的理想结构是：在内压作用下，当容器上某一点的纤维应力达到破坏极限时，其它各点的纤维也同时达到了破坏值，整个容器各处具有等强度。当容器是用一种纤维缠绕成型时，要求在纤维的各点上(即不论在圆筒段还是在封头段)，其应力值均相等。我们称这种缠绕结构为“等张力结构”。一、内压容器的结构选型纤维缠绕压力容器的理想结构是：在内压作111按等张力结构的要求布置纤维是强度设计和工艺设计追求的目标，即要求纤维的排列既能符合由缠绕规律所确定的线型要求，又符合等张力的要求。这将依赖于合理的纤维排列和层次设计来实现。在进行压力容器的层次设计时，工程上通常采用“网格划分”法。按等张力结构的要求布置纤维是强度设计和工艺设计追求的目标，即1121.内压容器的结构形状内压容器的结构形状通常为球形和圆筒形两种。球形容器结构效率最高。筒形容器易实现等强度、且成型工艺简单。1.内压容器的结构形状内压容器的结构形状通常为球形和圆筒形113玻璃纤维缠绕全复合材料压力容器碳纤维缠绕高压容器玻璃纤维缠绕全复合材料压力容器碳纤维缠绕高压容器1142.筒形容器的封头外形纤维缠绕压力容器通常采用均衡型等张力封头、均衡型平面缠绕封头及扁椭球形封头。（1）均衡型等张力封头——理想的封头型式这种封头上任一点的纤维应力都相等，纤维的单向强度得到充分利用，可实现等强度结构。2.筒形容器的封头外形纤维缠绕压力容器通常采用均衡型等张力115在生产工艺上，只有满足以下两个条件，才能实现等张力封头结构：①封头曲线必须是等张力封头曲线；②纤维缠绕轨迹必须是测地线。在生产工艺上，只有满足以下两个条件，才能实现等张力封头结构：116（2）均衡型平面缠绕封头平面缠绕封头纤维轨迹是一个倾斜平面和封头曲面相截的交线。这种封头要满足纤维张力和壳体受内压产生的内力均衡这一条件。（3）扁椭球形封头（2）均衡型平面缠绕封头平面缠绕封头纤维轨迹是一个倾斜平面和117二、缠绕类型的选择制品的结构形状和几何尺寸强度要求荷载特性缠绕设备二、缠绕类型的选择制品的结构形状和几何尺寸118三、螺旋缠绕线型参数选择1.缠绕角选定线型的缠绕角应等于或接近测地线缠绕角。2.切点数选少切点线型。三、螺旋缠绕线型参数选择1.缠绕角选定线型的缠绕角应等于或1193.封头包络圆极孔包络圆应逐渐扩大。4.缠绕程序在缠绕程序上，螺旋向与环向缠绕应交替进行。5.链条长度3.封头包络圆极孔包络圆应逐渐扩大。4.缠绕程序在缠绕程120四、缠绕工艺参数缠绕工艺过程，一般由下列工序组成：芯模或内衬制造、胶液配置、纤维烘干和热处理、浸胶、胶纱烘干、缠绕、固化、检测等。1.纤维热处理和烘干影响纤维缠绕制品性能的主要工艺参数为：四、缠绕工艺参数缠绕工艺过程，一般由下列工序组成：芯模或内衬1212.浸胶与胶液含量纤维浸胶过程必须严格控制。含胶量对制品的性能影响很大，表现在：①影响制品的质量和厚度；②含胶量过高能使制品强度降低，气密性提高；③含胶量过低会使制品中空隙率增加，气密性、耐老化性及剪切强度下降。2.浸胶与胶液含量纤维浸胶过程必须严格控制。含胶量对制品的122浸胶方式主要有两种：①沉浸式浸胶②表面带胶式浸胶(如图所示)。沉浸式浸胶表面带胶式浸胶浸胶方式主要有两种：沉浸式浸胶表面带胶式浸胶123resinimpregnationresinimpregnation1243.缠绕张力缠绕张力是指在缠绕过程中，纤维所受的张紧力。张力大小、各束纤维中的张力均匀性，以及各缠绕层之间纤维的张力均匀性，对制品质量影响很大。（1）张力对制品机械性能的影响（2）张力对制品密实程度的影响（3）张力对含胶量的影响3.缠绕张力缠绕张力是指在缠绕过程中，纤维所受的张紧力。张125（4）施加张力的有关问题施加张力的方法，对干法缠绕是通过纱团转动的摩擦阻力；对于湿法缠绕，则是通过纤维浸胶的张力辊施加，张力辊的直径应大于50mm。（4）施加张力的有关问题施加张力的方法，对干法缠绕是通过纱团1264.胶纱烘干作用：可除去树脂胶液中的溶剂挥发分，使在缠绕固化过程不起泡；还可使某些树脂初步凝胶，提高制品强度。4.胶纱烘干作用：可除去树脂胶液中的溶剂挥发分，使在缠绕固1275.缠绕速度缠绕过程的两个基本运动：芯模速度；小车速度。纱带缠绕到芯模上的纱线速度称为缠绕速度，它反映缠绕过程的生产率。缠绕速度由芯模旋转和绕丝嘴运动线速度决定，芯模速度、小车速度、纱线速度其关系如图所示。5.缠绕速度缠绕过程的两个基本运动：芯模速度；小车速度。128缠绕速度要适合。缠绕速度过小，则生产率低；对于湿法缠绕，缠绕速度受到浸胶时间和设备能力限制，缠绕速度过快，纤维浸胶时间短，不易浸透，而且芯模速度高会出现胶液在离心力作用下，从缠绕结构向外迁移和溅洒的可能。缠绕速度最大不超过0.9m/s。缠绕速度要适合。129干法缠绕：缠绕速度主要受两个因素限制：应保证预浸纤维的树脂通过加热装置后能达到必要的粘流状态；避免空气杂质被吸入缠绕结构。要求小车速度不超过0.75m/s。干法缠绕：1306.固化制度缠绕成型的固化工艺分加热固化和常温固化两种。不论是采用哪一种固化方法，制品在固化过程中均需缓慢转动，以保证制品受热均匀和防止流胶。缠绕成型聚酯玻璃钢用大型容器(如直径为2～4m)，建议采用常温固化。6.固化制度缠绕成型的固化工艺分加热固化和常温固化两种。131酚醛环氧树脂缠绕制品，或大批量生产的制品，则需要选用加热固化，这是因为加热固化能保证产品质量，提高模具周转率和降低成本。加热固化制度，包括加热的温度范围、升温速度、恒温温度及保温时间。酚醛环氧树脂缠绕制品，或大批量生产的制品，则需加热固化制度，132（1）加热固化（2）升温速度（3）恒温（4）降温冷却（5）固化制度的确定（6）分层固化（1）加热固化133对于厚壁缠绕制品，应采用分层缠绕固化法。此法是在芯模或内衬上先绕制一定厚度的缠绕层，使其固化，冷却至室温打磨再缠绕第二层，依次循环，直至缠到满足强度设计要求的层数为止。对于厚壁缠绕制品，应采用分层缠绕固化法。此法是在芯模或内衬上134分层缠绕固化的优点是：可提高整个容器的纤维初始张力和容器疲劳强度；纤维位置及时得到固定，不致发生皱折和松散；树脂不易在层间渗透，提高容器内外层质量均匀性。分层固化的缺点是：工艺复杂，能耗较大。7.环境温度分层缠绕固化的优点是：可提高整个容器的纤维初始张力和容器疲劳135五、缠绕张力制度1.概述计算缠绕张力制度的目的：控制后一层和前一层削减后的张力相同，使从内到外的全部缠绕层具有相同初张力，使制品强度和疲劳性能得到提高。五、缠绕张力制度1.概述计算缠绕张力制度的目的：控制后一层136张力制度的主要问题：①纤维初应力值的确定；②张力递减制度。张力制度必须考虑下列因素：保证各层纤维初应力相等；内衬刚度；纤维强度与磨损；胶液流失；张力装置性能。张力制度的主要问题：张力制度必须考虑下列因素：1372.张力制度的假定条件3.确定纤维初应力的原则2.张力制度的假定条件138纤维缠绕成型现场图片纤维缠绕成型现场图片139缠绕成型工艺及设备课件140缠绕成型工艺及设备课件141缠绕成型工艺及设备课件142缠绕成型工艺及设备课件143缠绕成型工艺及设备课件1447.6锥体缠绕一、概述对于具有轴对称的旋转体锥形制品，采用缠绕工艺成型有很多优点；对于不要求起结构作用的锥形制品，采用单一环向缠绕，对于锥形结构件采用螺旋缠绕。7.6锥体缠绕一、概述对于具有轴对称的旋转体锥形制品，采用145锥形球面封头容器缠绕锥形球面封头容器缠绕146缠绕成型工艺及设备课件147双锥容器缠绕锥形容器缠绕双锥容器缠绕锥形容器缠绕148子弹头式容器缠绕子弹头式容器缠绕149缠绕成型工艺及设备课件150锥形制品环向缠绕成型工艺，按缠绕时增强材料的状态可分为干法和湿法两种。多用干法生成。玻璃布带的排布可分为三种形式：（1）重叠缠绕将布带由锥体的小端至大端连续缠绕在旋转的芯模上。布带方向与锥体轴线平行。重叠缠绕锥形制品环向缠绕成型工艺，按缠绕时增强材料的状态可分为干法和151重叠缠绕时，布带相互重叠粘结，克服了平行缠绕制品纵向强度低的缺点,提高了材料的耐烧蚀性，且缠绕工艺比较简单(布带在缠绕时保持直条状)，生产周期较短。缺点：这种形式的制品抗气流冲刷能力较差，易产生分层、剥层等现象。重叠缠绕时，布带相互重叠粘结，克服了平行缠绕制品纵向强度低的152（2）垂直缠绕将布带连续缠绕在锥体的回转芯模上。布层方向与锥体轴线垂直。这种制品抗气流冲刷能力很强，但工艺较难实现。垂直缠绕（2）垂直缠绕垂直缠绕153（3）斜叠缠绕将布带由锥体大端往小端连续斜叠缠绕在回转芯模上，布层方向与锥体轴向成一定角度。这种制品抗冲刷能力高、耐烧蚀性能高、可靠。斜叠缠绕（3）斜叠缠绕将布带由锥体大端往小端连续斜叠缠绕在回转芯模上154二、斜叠缠绕工艺1.工艺过程斜叠技术的关键是如何使布带成为连续的扇形并定向排列在锥芯表面。实际缠绕时须设计一个环形锥套装在锥芯的大端，布带按环形锥套斜面的斜角β从其斜面开始缠绕，如图所示。二、斜叠缠绕工艺1.工艺过程斜叠技术的关键是如何使布带成为1553.工艺参数（1）含胶量（2）布带预热温度及缠绕温度缠绕温度：是指缠绕过程中，在工件上面加热罩的温度。（3）缠绕张力（4）缠绕压力3.工艺参数156ThnkYou!Anysuggestionandquestionarewelcome!ThnkYou!Anysuggestionandqu157缠绕成型工艺及设备课件158缠绕成型工艺及设备课件159Oven

Oven

160缠绕成型工艺及设备课件161缠绕成型工艺及设备课件162缠绕成型工艺及设备课件163缠绕成型工艺及设备课件164缠绕成型工艺及设备课件165缠绕成型工艺及设备课件166缠绕成型工艺及设备课件167Filamentwinding-windingpatternshoop : helical: polar:imagesfrom:Filamentwinding-windingpat168缠绕成型工艺及设备课件169缠绕成型工艺及设备课件170缠绕成型工艺及设备课件171目录7.1概述7.2芯模7.3缠绕规律7.4缠绕工艺设计7.5锥体缠绕目录7.1概述172概述7.1.1纤维缠绕工艺的分类7.1.2纤维缠绕增强塑料制品的优点7.1.3原材料7.1.4纤维缠绕工艺的应用概述7.1.1纤维缠绕工艺的分类1737.1概述7.1.1纤维缠绕工艺(FilamentWinding)及其分类缠绕成型工艺是将浸过树脂胶液的连续纤维（或布带、预浸纱）按照一定规律缠绕到芯模上，然后经固化、脱模，获得制品。7.1概述7.1.1纤维缠绕工艺(FilamentWi174缠绕工艺流程图缠绕工艺流程图175干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软化至粘流态后缠绕到芯模上。1.干法缠绕优点：干法缠绕能够准确地控制产品质量；生产效率高，缠绕速度可达100～200m/min；缠绕机清洁，劳动卫生条件好，产品质量高。缺点：投资较大；制品层间剪切强度较低。

根据纤维缠绕成型时树脂基体的物理化学状态不同，分为干法缠绕、湿法缠绕和半干法缠绕三种。干法缠绕是采用经过预浸胶处理的预浸纱或带，在缠绕机上经加热软1762.湿法缠绕湿法缠绕是将无捻粗纱（或预浸布带）浸胶后，在张力控制下直接缠绕到芯模上。优点：①成本比干法缠绕低40%；②产品气密性好；③纤维排列平行度好；④缠绕时树脂胶液可减少纤维磨损；⑤生产效率高（达200m/min）⑥此法所用设备较简单，对原材料要求不高。2.湿法缠绕湿法缠绕是将无捻粗纱（或预浸布带）浸胶后，在张177缺点：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；③固化时易产生起泡；④缠绕设备如浸胶辊、张力控制辊等要经常维护。缺点：①树脂浪费大，操作环境差；②含胶量及成品质量不易控制；1783.半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，增加一套烘干设备，将浸胶纱中的溶剂除去。与干法相比，省却了预浸胶工序和设备；与湿法相比，可使制品中的气泡含量降低。半干法使缠绕过程可以在室温下进行，这样既除去了溶剂，又提高了缠绕速度和制品质量。三种缠绕方法中，以湿法缠绕应用最为普遍；干法缠绕仅用于高性能、高精度的尖端技术领域。缠绕法成型的示意图3.半干法缠绕半干法缠绕是纤维浸胶后，到缠绕至芯模的途中，1797.1.2纤维缠绕增强塑料制品的优点纤维缠绕成型的优点①能够按产品的受力状况设计缠绕规律，使能充分发挥纤维的强度；②比强度高：一般来讲，纤维缠绕压力容器与同体积、同压力的钢质容器相比，重量可减轻40-60%。7.1.2纤维缠绕增强塑料制品的优点纤维缠绕成型的优点②比180思考题：为什么纤维缠绕制品的强度比其他成型工艺制品的强度都高？1）一般材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素。2）一般材料的表面缺陷是影响其强度的重要因素。思考题：为什么纤维缠绕制品的强度比其他成型工艺制品的强度都高1814）缠绕成型，可以控制纤维的方向和数量，使产品实现等强度结构。3）缠绕成型避免了布纹经纬交织点与短切纤维末端的应力集中。5）缠绕成型可使增强材料纤维含量高达80％。4）缠绕成型，可以控制纤维的方向和数量，使产品实现等强度结构182③可靠性高④生产效率高：采用机械化或自动化生产，需要操作工人少，缠绕速度快（240m/min），故劳动生产率高；⑤成本低③可靠性高183缠绕成型的缺点①缠绕成型适应性小，不能缠任意结构形式的制品，特别是表面有凹的制品；②缠绕成型需要有缠绕机，芯模，固化加热炉，脱模机及熟练的技术工人，需要的投资大，技术要求高，因此，只有大批量生产时才能降低成本，才能获得较大的技术经济效益。

缠绕成型的缺点1847.1.3原材料缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树脂和填料。选择原则：缠绕制品的使用性能要求、工艺性、经济性。7.1.3原材料缠绕成型的原材料主要是纤维增强材料、树脂和185增强材料缠绕成型用的增强材料，主要是各种纤维纱：如无碱玻璃纤维纱，中碱玻璃纤维纱，碳纤维纱，高强玻璃纤维纱，芳纶纤维纱及表面毡等。增强材料186选用要求：（1）航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的炭纤维和芳纶纤维。（2）满足制品的性能要求。（3）纤维必须进行表面处理。（4）与树脂浸渍性好。（5）各股纤维张力均匀；（6）成带性好，不起毛不断头。选用要求：（1）航空和航天制品多选用性能优异价格昂贵的炭纤187树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。2.树脂基体不饱和聚酯树脂环氧树脂双马来酰亚胺树脂树脂基体是指树脂和固化剂组成的胶液体系。2.树脂基体不饱和188选用要求：工艺性好。树脂基体的断裂伸长率与增强材料相匹配，以便获得满意的力学性能。固化收缩率和毒性刺激性小。来源广、价格低。选用要求：工艺性好。189作用：加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃性和降低收缩率等。如：在胶液中加入空心玻璃微珠，可提高制品的刚性，减小密度降低成本等。在生产大口径地埋管道时，常加入30%石英砂，用以提高产品的刚性和降低成本。注：为了提高填料和树脂之间的粘接强度，填料要保证清洁和表面活性处理。3.填料作用：加入后能改善树脂基体的某些功能，如提高耐磨性，增加阻燃1907.1.4纤维缠绕工艺的应用1.缠绕成型技术发展现状纤维缠绕工艺最早是在1947年美国开始研究的。美国宇航局和空军材料实验室研制成功复合材料固体火箭发动机壳体。7.1.4纤维缠绕工艺的应用1.缠绕成型技术发展现状纤维缠191我国在1962－1963年总结出纤维缠绕规律，设计出可缠绕各种压力容器的链条式缠绕机，揭开了我国缠绕成型技术的历史。80年代以后，我国自行设计制造的缠绕机技术已达到国际水平，现已进入国际市场。我国在1962－1963年总结出纤维缠绕规律，设计出可缠绕各1922.纤维缠绕工艺的应用（1）军工和空间技术应用应用于军工和空间技术方面的复合材料缠绕制品要求精密、可靠、重量轻及经济等。应用实例：固体火箭发动机壳体；固体火箭发动机烧蚀衬套；火箭发射筒；飞机机头雷达罩等。2.纤维缠绕工艺的应用（1）军工和空间技术应用应用于军工和193缠绕成型工艺及设备课件194北极星A1Polaris北极星潜地战略导弹(A1/A2/A3)

规格：长９.６米；宽１.３７米

射程：２４８４海里,,４６００公里,,

发射重量：１５８５０公斤发射方式：二节推进；固态燃料

导引系统：惯性

弹头：３枚当量各２０万吨多重重返大气层载具弹头

北极星A1Polaris北极星潜地战略导弹(A1/A2/195北极星A2北极星A2196北极星A3北极星A3197EPKM（“长征二号E远地点发动机”的英文简称）是原中国航天工业总公司河西化工机械公司研制开发的近地点发动机（图1），配合长征二号E捆绑式火箭承担外星发射任务。燃烧室壳体材料为玻璃纤维增强塑料，采用纤维缠绕方式。EPKM（“长征二号E远地点发动机”的英文简称）是原中国航天198缠绕成型工艺及设备课件199随着复合材料的发展，固体火箭发动机壳体大量采用新型增强纤维/树脂复合材料缠绕成型。未来反舰导弹将采用合金钢/纤维缠绕复合壁，以减轻重量，增加强度，改善导弹目标红外特性。随着复合材料的发展，固体火箭发动机壳体大量采用新型增强纤维/200缠绕成型工艺及设备课件201（2）民品方面的应用主要表现为轻质、高强、防腐、耐久、实用、经济等方面，已开发的产品有高压气瓶、防腐管道、贮罐、撑竿、汽车板簧等。最具代表性的为：（2）民品方面的应用主要表现为轻质、高强、防腐、耐久、实用、202①压力容器有受内压容器(如各种气瓶)和受外压容器(如鱼雷)两种。目前压力容器应用广泛，如宇航、火箭、飞机、舰艇等运载工具及医疗等方面都有应用。②化工管道用于输送石油、水、天然气、化工流体介质等，它可部分代替不锈钢，具有轻质、高强、防腐、耐久、方便的特点。①压力容器②化工管道203③贮罐槽车各种用以运输或贮存酸、碱、盐、油介质的贮罐、槽车，具有耐腐蚀性好、重量轻、成型方便等优点。③贮罐槽车204焦化厂用的泡罩塔PVC-FRP焦化厂用的泡罩塔PVC-FRP205意大利迪利亚斯达的葡萄酒酿造设备意大利迪利亚斯达的葡萄酒酿造设备206大庆乙烯工程制造的盐酸聍槽大庆乙烯工程制造的盐酸聍槽207法国SB公司设计制造的FRP-PP法国SB公司设计制造的FRP-PP208武钢冷轧回收塔是依DIN标准设计制造的受压容器按NF标准为法国SB公司设计制造的秦皇岛中阿磷铵洗涤塔武钢冷轧回收塔是依DIN标准设计制造的受压容器按NF标准为法209玻璃钢大型贮罐玻璃钢大型贮罐210岳化1000立方米贮罐制作现场岳化1000立方米贮罐制作现场2117.2芯模（Mandrel）7.2.1芯模材料7.2.2芯模的结构形式7.2.3芯模设计7.2芯模（Mandrel）7.2.1芯模材料212成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯模要从制品内脱出。

7.2.1芯模材料成型中空制品的内模称芯模。一般情况下，缠绕制品固化后，芯213芯模设计的基本要求①要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型加工过程中施加于芯模的各种载荷，如自重、制品重，缠绕张力，固化应力，二次加工时的切削力等；②能满足制品形状和尺寸精度要求，如形状尺寸，同心度、椭圆度、锥度（脱模），表面光洁度和平整度等；③保证产品固化后，能顺利从制品中脱出；④制造简单，造价便宜，取材方便。芯模设计的基本要求①要有足够的强度和刚度，能够承受制品成型214缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材料是指石蜡，水溶性聚乙烯醇，低熔点金属等。

1.常用芯模材料缠绕成型芯模材料分两类：熔、溶性材料和组装式材料。熔、溶性材215组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还有内衬材料，内衬材料是制品的组成部分，固化后不从制品中取出，内衬材料的作用主要是防腐和密封，当然也可以起到芯模作用，属于这类材料的有橡胶、塑料、不锈钢和铝合金等。组装式芯模材料常用的有铝、钢、夹层结构、木材及石膏等。另外还216缠绕成型工艺及设备课件217ThishugealuminummandrelisusedtofilamentwindthepayloadfairingfortheBoeingDeltaIVlaunchvehicle.Thishugealuminummandrelis2182.芯模材料对纤维缠绕制品的影响芯模材料的膨胀系数影响制品固化后的尺寸精度；芯模材料的弹性模量影响制品的力学性能及尺寸精度；芯模材料的导热高低将影响制品的固化度；芯模中的水分，严重影响树脂系统的固化。2.芯模材料对纤维缠绕制品的影响芯模材料的膨胀系数影响制品219石膏芯模与金属芯模相比有如下特点：缺点：强度低、导热性差；优点：价格低廉、成型工艺简单、容易制成各种复杂的形状，特别对不宜进行机械加工的大型制品更为适宜。石膏芯模与金属芯模相比有如下特点：2203.选择和使用芯模材料时注意的问题选定芯模材料应根据制品的生产批量、尺寸形状及性能要求来确定。芯模材料不能被树脂腐蚀，不能影响树脂系统固化。多孔性材料使用前必须烘干。芯模材料的成分应均匀。3.选择和使用芯模材料时注意的问题选定芯模材料应根据制品的221二、芯模的结构形式实心或空心整体式芯模组合装配式芯模有分瓣式、隔板式、捆扎式、框架装配式等。二、芯模的结构形式实心或空心整体式芯模有分瓣式、隔板式、捆扎2223.石膏隔板组合式芯模它由金属芯轴、石膏封头、石膏隔板、铝管及石膏面层组成，也可以用铝金属型块组合封头代替石膏封头(如下图)。石膏隔板式组合芯模1－芯轴；2－金属嵌嘴；3－石膏封头；4－麻绳；5－铝管；6－石膏隔板；7－石膏面层3.石膏隔板组合式芯模它由金属芯轴、石膏封头、石膏隔板、铝223优点：制作简单，成本低、拆除方便，这种芯模最适用于精度要求高的大、中型单件或少件制品，其尺寸精度可达1mm以内。缺点：高温固化石膏脱水对制品质量有影响；一个芯模仅用一次；仅适用于单件和小批量生产。优点：制作简单，成本低、拆除方便，这种芯模最适用于精度要求高224管道芯模分为整体式和开缩式两种，整体式芯模适用于直径小于800mm的玻璃钢管生产。整体式芯模是用钢板卷筒焊接而成．4.管道芯模整体式管道芯模对其要求：一是具有经过抛光的高精度表面；二是具有锥度，不小于1/1000.管道芯模分为整体式和开缩式两种，整体式芯模适用于直径小于80225大于800mm直径的管芯模，采用开缩式芯模，芯模壳体由经过酸洗的优质钢板卷制而成，表面经过抛光、打磨，具有高精度和高光洁度。开缩式管道芯模大于800mm直径的管芯模，采用开缩式芯模，芯模壳体由经过酸226为了提高生产效率，减少缠绕过程中装、卸管芯模的时间，在缠管机上增设多轴芯模装置，它是一个圆盘回转架，架上可同时装3～6根相同或不同直径的芯模。多轴芯模为了提高生产效率，减少缠绕过程中装、卸管芯模的时间，在缠管机2277.2.3芯模设计1.芯模设计需满足的基本要求能够承受缠绕过程的工作载荷、自重及加工时的机械荷载。具有一定刚度、强度，在使用期间保持合乎要求的尺寸。能经受固化温度的作用。易于脱模制造简单、造价便宜、取材方便。7.2.3芯模设计1.芯模设计需满足的基本要求能够承受缠2282.芯模设计的内容芯模材料及结构型式的选定；脱模方法及程序的制定；总体结构与芯模零部件设计，包括刚度、强度计算。芯模制造的技术经济指标分析。2.芯模设计的内容芯模材料及结构型式的选定；2293.芯模强度、刚度计算(1)芯模受力分析芯模在使用过程中，通常承受以下几种力：缠绕张力、自重、机械加工切削力、惯性力及热应力。1）缠绕张力纤维缠绕通常由环向缠绕和螺旋缠绕组成。张力对芯模表面产生压力，分为径向压力和轴向压力两部分。3.芯模强度、刚度计算(1)芯模受力分析1）缠绕张力230径向压力：是由环向和螺旋缠绕纤维的缠绕张力引起的。芯模所承受的径向压力pr1(Pa)计算公式：这里n－环向缠绕层数F1－每层纱片缠绕张力(N)R－芯模半径(cm)a－环向纱片宽(cm)径向压力：是由环向和螺旋缠绕纤维的缠绕张力引起的。这里n－231螺旋缠绕张力对芯模表面产生的径向压力pr2：其中，F2－螺旋缠绕每层纱片张力的平均值（N);α—缠绕角；b—螺旋缠绕纱片宽(cm)注：缠绕纤维与芯模旋转轴线相交的夹角，称为缠绕角。螺旋缠绕张力对芯模表面产生的径向压力pr2：其中，F2－螺旋232由n层环向缠绕和m层螺旋缠绕张力对芯模表面产生的总径向压力为：由n层环向缠绕和m层螺旋缠绕张力对芯模表面产生的总径向压力为233轴向压力：缠绕张力对芯模产生的轴向压力（仅螺旋缠绕张力的轴向分量）。2）机械加工切削力（2）芯模强度计算（3）芯模刚度计算轴向压力：缠绕张力对芯模产生的轴向压力（仅螺旋缠绕张力的轴向2347.3缠绕规律7.3.1概述7.3.1概述7.3.2线型7.3.3转速比7.3.4线型设计7.3缠绕规律7.3.1概述7.3.1概述2357.3.1概述缠绕线型必须满足两点要求：（1）纤维既不重叠又不离缝，均匀连续布满芯模表面。（2）纤维在芯模表面位置稳定，不打滑。1.缠绕规律的内容7.3.1概述缠绕线型必须满足两点要求：1.缠绕规律的内236纤维缠绕规律是研究导丝头（绕丝嘴）和芯模之间相对运动关系的规律，使纱带能均匀排布在芯模表面。纤维缠绕纤维缠绕规律是研究导丝头（绕丝嘴）和芯模之间相对运动关系的规237就筒形压力容器的缠绕规律而言可分为环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕三种类型，而螺旋缠绕是重点，环向缠绕和纵向缠绕也是在特定条件下的螺旋缠绕。分析容器的缠绕规律有标准线法和切点法两种。就筒形压力容器的缠绕规律而言可分为环向缠绕、2382.缠绕线型的分类（1）环向缠绕（HoopWinding）环向缠绕是芯模绕自身轴线匀速旋转，绕丝嘴沿芯模筒身轴线平行方向移动，芯模每转一周，绕丝嘴移动一个个纱片宽度。2.缠绕线型的分类（1）环向缠绕（HoopWinding239环向缠绕只在筒身段进行，不能缠封头，邻近纱片之间相接而不相交，缠绕角通常为85º-90º。一般内压容器的成型都是采用环向缠绕和纵向缠绕结合的方式。环向缠绕只在筒身段进行，不能缠封头，邻近纱片之间相接而不相交240环向缠绕参数关系：D—芯模直径；b—纱片宽；α—缠绕角；W—纱片螺距。注：环向缠绕的缠绕角必须大于70°。环向缠绕参数关系：D—芯模直径；注：环向缠绕的缠绕角必须大于241芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方向往复运动。纤维缠绕轨迹（线型）是由圆筒段的螺旋线和封头上与极孔相切的空间曲线所组成。螺旋缠绕（2）螺旋缠绕（HelicalWinding)芯模绕自轴匀速转动，导丝头依特定速度沿芯模轴线方向往复运动。242螺旋缠绕纤维在封头上提供经纬两个方向的强度，在筒身段提供环向和纵向两个方向的强度。其缠绕角约为12º~70º。螺旋缠绕的特点是每条纤维都对应极孔圆周上的一个切点；相同方向邻近纱片之间相接而不相交，不同方向的纤维则相交。因此．当纤维均匀缠满芯模表面时，就形成了双纤维层。螺旋缠绕纤维在封头上提供经纬两个方向的强度，在筒身段提供环向243(3)纵向缠绕纵向缠绕又称平面缠绕。特点：缠绕时，缠绕机的绕丝嘴在固定的平面内作匀速圆周运动，芯模绕自身轴线慢速旋转，绕丝嘴每转一周，芯模旋转一个微小角度，相当于芯模表面上一个纱片宽度。纱片与芯模轴线间成0º~25º的交角，纤维轨迹是一条单圆平面封闭曲线。纱片与芯模轴线的交角成为缠绕角。(3)纵向缠绕纵向缠绕又称平面缠绕。纱片与芯模轴线间成0º~244平面缠绕参数关系图由此导出：这里r1,r2—两封头极孔半径；lc—筒身段长度；le1、le2—两封头高度。若：r1=r2=r,且两封头高度一样，则平面缠绕参数关系图由此导出：这里r1,r2—两封头极孔半径；245平面缠绕的速比：单位时间内，芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的圈数比（或者芯模转一周时导丝头绕芯模旋转的圈数）。若纱片宽度为b，缠绕角为α0，则速比为：平面缠绕的速比：单位时间内，芯模旋转周数与导丝头绕芯模旋转的246平面缠绕适用于球形，椭球形及长径比小于4的短粗筒形容器生产。平面缠绕容器头部纤维有严重架空现象，为了减少纤维架空对制品质量的影响，一般在缠绕不同层次时，使缠绕角α值在一定范围内变化，以分散纤维在端头部的堆积。碳纤维缠绕球形容器平面缠绕适用于球形，椭球形及长径比小于4的短粗筒形容器生产247纤维缠绕视频片断纤维缠绕视频片断248从连续纤维螺旋缠绕规律中发现，纤维绕过极孔圆时，要与极孔圆相切，而在筒身段，同一层中的纤维，有交叉现象。因此，可以通过用出现在封头极孔圆上的切点数和出现在筒身段部分的交叉点及交叉点连线(亦称交带)的数用来表征螺旋缠绕的线型特点和规律。分析螺旋缠绕规律的方法有“切点法”和“标准线法”两种。从连续纤维螺旋缠绕规律中发现，纤维绕过极孔圆2497.3.2线型线型是连续纤维缠绕在芯模表面上的排布型式。用切点法描述螺旋纤维缠绕规律，就是研究线型与切点数和分布规律。1.纤维在芯模表面均匀布满的条件7.3.2线型线型是连续纤维缠绕在芯模表面上的排布型式。用250（1）一个完整循环的概念在缠绕过程中，纤维由芯模上的某点开始，经过若干次往复缠绕后，又缠回到起始点上，这样在芯模上完成的一次(不重复)布线，就是一个完整循环。一个完整循环的纤维轨迹，称为标准线。标准线的排布型式，包括切点、交叉点、交带及分布规律，充分反映了全部缠绕纤维的排布规律。（1）一个完整循环的概念251（2）切点数和分布规律螺旋缠绕的纱片，在完成一个完整循环时，在芯模极孔圆周上只有一个切点，称单切点。而在一个完整循环中有两个以上上切点的，称多切点。单切点路径1与7为相邻切点（2）切点数和分布规律单切点路径252缠绕路径其中，a到b,c到d段为圆筒段的螺旋线。缠绕路径其中，a到b,c到d段为圆筒段的螺旋线。253多切点线型在完成一个标准线型缠绕期间，相继出现的任意两个切点，可以依次排列，也可以间隔排列。当n＝3、n＝4、n＝5时，其切点排列顺序如图所示。多切点线型在完成一个标准线型缠绕期间，相继出现的任意两个切点254（3）缠绕纤维在芯模表面均布的条件①一个完整循环的诸切点等分芯模转过的角度，即各切点均布在极孔圆周上；

②前一个完整循环与相继的后一个完整循环所对应的纱片，在筒身段应错开一个纱片宽度距离。（3）缠绕纤维在芯模表面均布的条件2552.芯模转角(即缠绕中心角)与线型关系用θ表示一个完整循环缠绕的芯模转角。绕丝嘴往返一次，芯模转角用θn表示，绕丝嘴走完一个单程，芯模转角用θt表示，则(n为切点数）θn=2θt=θ/n不同切点线型θn不同。2.芯模转角(即缠绕中心角)与线型关系θn=2θt256式中，K为正整数，K／n为最简真分数，(K／n十N)值表示不同线型，它代表某特定标准线，Δθ／n表示芯模转角微调量,它保证纱片既不离缝，又不重叠。记为：S0=M/nM=K+nN式中，K为正整数，K／n为最简真分数，(K／n十N)值表示不2577.3.3转速比1.转速比的定义单位时间内，芯模转数M与绕丝嘴往返次数n之比，称为速比，即完成一个完整缠绕循环，芯模转数与绕丝嘴往返次数之比。即i0=M/n7.3.3转速比1.转速比的定义单位时间内，芯模转数M与258考虑速比微调部分，实际转速比为：这里i—实际速比；M—一个完整循环的芯模转数；Δθ—芯模转角的微小增量；n—一个完整循环中导丝头往返数（也是切点数）。考虑速比微调部分，实际转速比为：这里i—实际速比；2592.转速比与线型的关系线型是指纤维在芯模表面的排布型式，而转速比是芯模与绕丝嘴相对运动的关系。它们是全然不同的概念，但是不同线型严格对应着不同的速比i，所以我们认为线型在数值上等于转速比。即i0=S02.转速比与线型的关系线型是指纤维在芯模表面的排布型式，而2607.3.4线型设计1.芯模转角的计算纤维位置稳定条件：要求缠绕在芯模表面上的每条纤维轨迹都是相应曲面的测地线。带封头的圆筒形容器测地线的确定：7.3.4线型设计1.芯模转角的计算纤维位置稳定条件：要261筒身段：任意缠绕角的螺旋线都是测地线。封头曲面：根据微分几何的克列洛定理，测地线方程为sinα=r0/rα——测地线与封头曲面上子午线夹角；r0——封头极孔圆半径；r——测地线与子午线交点M处平行圆半径。当r=r0，α=π/2筒身段：任意缠绕角的螺旋线都是测地线。sinα=r0/rα262按芯模测地线缠绕求得的芯模转角，只有等于用均匀布满两条件确定的芯模转角才能使纤维既满足了有规律均匀布满的几何条件，又满足了纤维位置稳定条件。如何从制品测地线方面求取芯模转角？按芯模测地线缠绕求得的芯模转角，只有等于用均匀才能使纤维既满263所谓单程线是指丝嘴运动一个单程(去或回)在芯模上的布线，如图所示。它由一端封头极孔的切点缠绕到另一端封头极孔的相对切点，即图上的A—B—C—D曲线。单程线芯模转角由AB段对应的中心角θe1、BC段对应的中心角θc和CD段对应的中心角θe2组成。如果两端封头相同则此时单程线芯模转角为θt=θc+2θe所谓单程线是指丝嘴运动一个单程(去或回)在芯模上的布线，如图264单程线缠绕对应芯模转角单程线缠绕对应芯模转角265圆筒段单程线芯模转角如图所示。将圆筒面展开，则在圆筒段上的螺旋线BC′变为平面上的直线BC，缠BC′所转过的角对应的圆弧为B′C′，该弧长为B′C=Lctgα0又B′C=B′C′所以即圆筒段单程线芯模转角如图所示。将圆筒面展开，则在圆筒段上的螺266