（纺织工程专业论文）预成型织物缠绕复合材料管道的研究.pdf

学位论文的主要创新点 1 l u l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l l li i l l l y 18 7 9 0 5 5 、采用仿型织造技术，通过对普通织机部分机构改造，制织出适 用于圆直管道连续缠绕成型的预成型织物。 二、按照i s o9 9 6 9 的标准，对三种不同组织织物缠绕成型复合材料 圆直管的环刚度进行测试，并得出纬重平织物组织圆直管的压 缩载荷最大，平纹次之，斜纹最小。通过对板材的拉伸性能进 行测试和分析，得出纬向拼接三层试样最大载荷约为单层试样 最大载荷的2 倍。 摘要 玻璃钢管具有重量轻、强度高、安装方便和耐化学腐蚀等一系列的优点，广 泛应用在石油、化工、城市给排水等领域。传统玻璃钢管采用纤维缠绕、预浸布 卷制等方法成型，存在生产不连续、效率低等问题。本课题提出了一种采用预成 型织物连续缠绕成型复合材料管道的方法。预成型织物采用仿型织造技术织造， 在改造的普通织机上完成，设备投资费用低，生产效率高。 为了设计可以连续缠绕成型复合材料管道的预成型织物，根据圆直管制品的 轮廓形状，获得了预成型织物的形状，采用网格化获得可实际织造的织物结构， 织物所用经纱的长度不等长，建立了经纱长度之间的关系。 采用仿型织造技术，通过对普通织机的卷取机构和送经机构等进行改造，制 织圆直管预成型织物。分析影响织物成型的因素和变化规律，在织造过程中对预 成型织物进行成型控制。采用手糊成型法，确立了圆直管预成型织物的复合成型 工艺，最终获得复合材料圆直管制品。 依据i s 0 9 9 6 9 的试验方法，使用i n s t r o n3 3 6 9 万能强力机对三种不同组织织 物成型的圆直管进行环刚度测试，结果表明：织物组织对环刚度有一定的影响， 通过试验获得纬重平圆管环刚度最大，平纹次之，斜纹最小。 板材拉伸试验结果表明，纬向拼接三层试样最大载荷约为单层试样最大载荷 的2 倍，表明三层拼接试样的接缝处实际只有两层织物，最大载荷决定于无接缝 的这两层织物。 关键词：玻璃钢管，预成型织物，仿型织造技术，环刚度，拉伸性能 a b s t r a c t t h e g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i cp i p e l i n e ( g r pp i p e l i n e ) h a sb e e na p p l i e dm o r e a n dm o r ew i d e l yi nm a n yf i e l d ss u c ha sp e t r o l e u m , c h e m i c a li n d u s t r y , c i t yw a t e r s u p p l ya n dd r a i n a g ed u et ot h e i rg o o dc h a r a c t e r i s t i c so fl i g h tw e i g h t , h i g ht e n s i l e s t r e n g t h , e a s yi n s t a l l a t i o na n dh i 曲c o r r o s i o nr e s i s t a n c e a st h et r a d i t i o n a lg r pp i p ei s m a n u f a c t u r e db yf i l a m e n tw i n d i n g ，p r e p r e gc l o t h r o l l i n g ，e t c ，t h e r e a r em a n y p r o b l e m si nt h ep r o d u c t i o n , s u c ha sd i s c o n t i n u o u sw i n d i n gm o l d i n g , l o we f f i c i e n c y a n ds oo n t h ec o m p o s i t eg r pp i p ew h i c hi sw r a p p e da n ds h a p e db ys p e c i f i e d p r e f o r mf a b r i ci sp u tf o r w a r di nt h i st a s k t h es p e c i f i e dp r e f o r mf a b r i ci sp r o d u c e db y ar e f o r m e ds a m p l el o o m ，a n dt h ec o s tf o re q u i p m e n ti n v e s t m e n ti sl o wa n dt h e p r o d u c t i o ne f f i c i e n c yi sh i g h i no r d e rt od e s i g nt h ep r e f o r mf a b r i cw h i c hc a nf o r mt h ec o m p o s i t ep i p eb y w i n d i n gc o n t i n u o u s l y , t ob e g i nw i t h ，t h es h a p eo ft h ef a b r i ci se s t a b l i s h e db yt h e c o m p o s i t ep i p ec o n t o u rs h a p e t h e n ，t h ef a b r i cs t r u c t u r ei so b t a i n e dw i t ht h e 鲥dm a p o f c y l i n d e r f u r t h e r m o r e ，t h ef a b r i ci sw o v e na c c o r d i n gt ot h ef a b r i cu n f o l d e ds u r f a c e d r a w i n g f i n a l l y , r e l a t i o n s h i p sb e t w e e nw a r pl e n g t hw h i c hi su n e q u a l i sd e f m e d b yu s i n gt h es h a p ew e a n i n gt e c h n o l o g y , t h ep r e f o r mf a b r i ci sw o v e no nt h e r e f o r m e ds a m p l el o o mo fw h i c ht h et a k e - u pa n dl e t - o f fm e c h a n i s ma r et r a n s f o r m e d i nt h ew e a v i n gp r o c e s s ，t h ef a b r i cs t r u c t u r ea n ds h a p ea r ei nc o n t r o lt h r o u g ha n a l y z i n g i n f l u e n c ef a c t o r sa n dv a r i a t i o n a f t e rc o n f i r m i n gt h ep r o c e s st e c h n i q u ef o rc o m p o s i t e ， t h ep r e f o r mf a b r i cc a nh ec o m p o u n d e dw i t hr e s i nt of o r mt h eg r pp i p eb yh a n d l a y - u pp r o c e s s a c c o r d i n gt oi s 0 9 9 6 9 ，t h r e ek i n d so fg l 心p i p e sw i t hd i f f e r e n tw e a v ea r et e s t e d b yi n s t r o n3 3 6 9 ，a n dt h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t si n d i c a t et h a tt h ew e a v eh a sa ne f f e c to n p i p er m gs t i f f n e s s ，a n dt h ew e f tr i bp i p ep o s s e s s e st h eb i g g e s tr i n gs t i f f n e s s ，f o l l o w e d b yp l a i np i p e ，t w i l lp i p e t h et e n s i l et e s to f t h ef i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i cs h e e ts h o w st h a tt h em a x i m u ml o a d o ft h et h r e e - l a y e rs p l i c i n gs h e e ti s2t i m e sb i g g e r t h i ss h o w st h a tt h et h r e e - l a y e r s p l i c i n gs h e e th a so n l yt w o - l a y e rs h e e ti nt h ej o i n ta c t u a l l y , w h i l et h em a x i m u ml o a d d e p e n d so nt h et w o - l a y e rs h e e t k e yw o r d s ：g l a s sf i b e rr e i n f o r c e dp l a s t i c ；p r e f o r mf a b r i c ；s h a p ew e a n i n gt e c h n o l o g y ； r i n gs t i f f n e s s ；t e n s i l et e s t 目录 第一章绪论。1 1 1 弓i 言1 1 2 玻璃钢管道概述2 1 2 1 玻璃钢管道的特点3 1 2 2 玻璃钢管道的应用。4 1 2 3 玻璃钢管道的制造方法5 1 3 回转体复合材料预制件的制造技术6 1 3 1 平面织造法。7 1 3 2 缝合法7 1 3 3 立体织造法一7 1 3 4 仿型织造法8 1 3 5 四种成型方法的比较8 1 4 本课题主要研究内容9 第二章圆直管道缠绕用预成型织物的设计。11 2 1 圆直管道预成型织物的设计原理l l 2 2 圆直管道预成型织物设计。1 2 2 2 1 纤维材料选择1 2 2 2 2 圆直管道预成型织物的结构设计1 3 2 3 本章小结。1 5 第三章圆直管预成型织物的织造及成型控制1 7 3 1 圆直管预成型织物的织造原理1 7 3 2 织机改造18 3 3 圆直管道预成型织物的织造2 0 3 3 1 管道预成型织物织造设计2 l 3 3 2 织物参数设计及上机图2l 3 3 3 织物的织造。2 2 3 4 预成型织物的成型控制2 3 3 4 1 卷取辊形状对织物成型的影响2 3 3 4 2 纬纱密度对织物成型的影响2 4 3 4 3 织物组织对织物成型的影响2 4 3 4 4 织口距离对织物成型的影响2 5 3 4 5 经纱张力对织物成型的影响2 5 3 5 本章小结2 6 第四章预成型织物缠绕成型圆直管复合材料2 7 4 1 圆直管道的缠绕工艺设计2 7 4 1 1 管道壁厚设计2 7 4 1 2 管道缠绕角设计2 8 4 1 3 管道缠绕张力设计。3 0 4 2 手糊成型工艺介绍31 4 3 圆直管道的复合成型。3 2 4 3 1 试验方案3 2 4 3 2 圆直管的成型工艺3 2 4 3 3 结果及分析3 3 4 4 本章小结3 4 第五章复合材料圆直管道的力学性能3 5 5 1 环向压缩性能试验及分析3 5 5 1 1 管材管件环刚度定义和标准3 5 5 1 2 环刚度的影响因素3 7 5 1 3 环向压缩性能试验3 9 5 1 4 试验结果与分析4 l 5 2 拉伸性能试验及分析4 2 5 2 1 拉伸性能的影响因素4 2 5 2 2 拉伸性能试验4 3 5 2 3 试验结果与分析4 7 第六章结论5l 参考文献5 3 附豸之5 7 攻读硕士学位期间公开发表的论文6 3 致谢6 5 第一章绪论 1 1 引言 第一章绪论 管道是现代工业中流体输送的重要材料。管道运输具有投资少、运量大、占 地少、污染小、运行平稳安全等特点，与铁路运输、公路运输、水路运输、航空 运输并列为五大运输业。自1 9 世纪6 0 年代美国建成世界上第一条输油管道以 来，各种不同规格的管道在世界各地迅速建设起来瞳，。 我国管道运输经历了5 0 多年的发展，已发展到一定规模和水平。油气管道 运输主要经历了初始发展( 1 9 5 8 一1 9 6 9 年) 、快速发展( 1 9 7 0 - 1 9 8 7 年) 、稳步 发展( 1 9 8 8 - - 1 9 9 5 年) 和加快发展( 1 9 9 6 至今) 四个阶段，如图1 - 1 所示口1 。中 国自1 9 7 0 年建设第一条大口径长距离输油管道以来，管道运输工业迎来大发展 时机。至2 0 0 8 年底，我国建成油气管道的总长度已达6 4 万千米，其中原油管 道约1 9 万千米，天然气管道约3 2 万千米，成品油管道约1 3 万千米，形成了 初具规模的跨区域油气管网，并发挥越来越重要的作用h 1 。近几年，随着西气东 输、川气东送、西气东输二线等天然气主干道及多条联络管道的建设，以及西部 原油管道、珠江三江洲成品油管道工程的投产，我国油气管网覆盖面得到了迅速 扩大。中哈原油管道和中亚天然气管道的建成投产，使我国实现了管道进口油气 零的突破。“十二五期间，中俄、中缅等战略油气管道的建设，不仅为中国， 也为世界管道业提供了发展机遇b 1 。 i 一气年增掘妖 唆i 一 1 啦霰汁总k 唆 l瞳 搿 。 耪始发晨阶段恢遵裳晨蝓段稳步发晨骱段加快发爨 段 ，“ 一 雌k 僦御 蘑劓壤 面面n i l _ h 管道的类型如图1 2 所示，主要有复合管、金属管和塑料管三种，每种类型 | | | | | | | | | | | | | | | | | | | 7 8 5 4 3 2 ，o o o o o o o o o 糍年培纽长度万予 天津工业大学硕士学位论文 又有多种变化，其中应用最为广泛的是混凝土管、钢管和塑料管三种哺。混凝土 管造价便宜，但重量大，强度较低，管壁粗糙，易结垢，影响过流能力；钢管强 度高，但易腐蚀，重量大；塑料管材质轻、耐腐蚀、柔韧性好，但承压能力、抗 冲击性低，线膨胀系数大，容易发生爆管限阳。随着管道工业的发展，性能更加 优异的新型管材被不断开发出来，如金属管材的x 1 0 0 、x 1 2 0 级钢管u 叫( a p is p e c 5 l 标准) ，高密度聚乙烯、交联聚烯烃管材等。由于单一材料往往难以满足现代 管材业的需要，结合不同材料优异性能的复合材料管便应运而生n 。这种复合材 料管不仅种类多样，而且具有重量轻、强度高、加工成型方便、耐化学腐蚀等一 系列的优点，应用越来越广泛。 1 2 玻璃钢管道概述 图l - 2 管道的主要种类 玻璃钢管( f l 冲管) ，即玻璃纤维增强热固性树脂管，是一种以树脂为基体， 以玻璃纤维为增强材料的新型管道。玻璃钢管已有6 0 多年的发展历史。早期的 玻璃钢管主要是通过缠绕复合成型实现的。从2 0 世纪5 0 年代开始，缠绕玻璃钢 管道在化工、石油等工程中普遍应用，并开始用于城市供水供气和污水处理领域。 随后离心浇铸玻璃钢管、螺纹连接缠绕玻璃钢管、承插o 形圈缠绕玻璃钢管和 连续缠绕玻璃钢管得到开发应用n 刳。 图1 3 为几种常用的玻璃钢复合管。表1 1 列出了玻璃钢复合管与常用管材 的性能n 副。从表中可以看出，玻璃钢管的拉伸强度和钢管近似，适用温度比h d p e 管和p v c u 管范围宽，而且玻璃钢管线膨胀系数较小，耐腐蚀性能优良，尽管 成本价格比塑料管要高，但是玻璃钢管的综合性能优良，使用寿命长，品种多， 能够适用于不同的使用环境。 第一章绪论 & 玻璃钢压力管道b 玻璃钢输水管道c 玻璃钢电缆保护管 图1 3 几种常用的玻璃钢复合管 表1 1 玻璃钢复合管与常用管材比较 壁类 性能 钢管h d p e 管p v c - u 管玻璃钢管 拉伸强度( m p a ) 4 踟 2 2 3 93 5 6 35 压缩强度( m p a ) 4 2 0 2 25 6 9 03 2 0 适用温度( )一 - 4 0 - 6 0- 3 5 6 5- 4 0 8 0 线膨胀性( 1 1 2x 1 0 6 ) 1 1 1 7 01 9 01 2 导热性优差 差差 耐腐蚀性 差 优 良 优 成本价格中低低中 综合性能评价 良 良良优 1 2 1 玻璃钢管道的特点 与传统的钢管和混凝土管相比，玻璃钢管具有以下优点n 钉。 1 比重轻。玻璃钢管道比重约为1 6 ，仅是钢管或铸铁管的l 仁l 5 ，其重量 仅为同规格尺寸钢管的3 0 左右。因此玻璃钢管道运输装卸方便，在安装时不需 要用重型机械，大大节省了机械施工费用，提高了安装速度。 2 水力性能优良。缠绕玻璃钢管道内壁光滑、摩擦系数小，其绝对粗糙度 仅为0 0 1 m m 左右，远小于钢管及铸铁管的内壁粗糙度，见表1 2 。 表1 2 不同管材内壁绝对粗糙度 3 耐腐蚀性能好。通过选用不同品种的树脂，可使玻璃钢管道耐各种酸、 碱、盐及有机溶剂的侵蚀，从而满足不同工作场合的需要；玻璃钢管道管壁光滑， 在使用过程中不结垢、不生锈，输送液体阻力小，运行后在无维护的情况下，使 用寿命可达5 0 年。 4 电绝缘性能好。玻璃钢管道是电的绝缘体，在使用过程中不会因化学或 电化学作用产生局部电池反应，不会对水质或其他介质产生二次污染，可安全地 天津工业大学硕士学位论文 应用于输电及电信线路密集区的电缆保护管。 5 强度高。玻璃钢管的环向拉伸强度可达3 6 0 m p a 以上，比钢材略低：但玻 璃钢的密度是钢密度的1 4 ，因此玻璃钢的比强度高于钢材。表1 3 为不同材质 管道强度的比较。 表1 3 各种材质管道强度比较 6 导热系数低，热应力小。玻璃钢管道的导热系数低，仅为钢管的o 4 ， 因而具有较好的保温性能，输送介质时可降低热能损耗；玻璃钢管道的热应力较 低，可应用于有水温差的供水管线。 7 可设计性强。通过对纤维缠绕角、管道壁厚、材料及产品形状等进行设 计，可使玻璃钢管道具有不同的承压能力、防腐性能等。 8 连接方式多样灵活。玻璃钢管单管长度长，所需接头少；连接方法可根 据施工条件和工艺要求灵活选择，保证工程安装快捷，使用可靠。 9 维修方便，综合效益高。玻璃钢管道的安全系数高，使用寿命长，维护 成本少，其综合效益优于钢管。 1 2 2 玻璃钢管道的应用 由于玻璃钢具有优越的性能，世界各国都在积极研制和推广玻璃钢管道，其 应用主要有以下几方面n 8 。2 “。 ( 1 ) 石油工业 玻璃钢管道的应用始于油田，经过多年的发展，特别是玻璃钢所用原料的改 进、连接强度的提高和连接方式的多样化，玻璃钢管道在国内外油田业得到广泛 的应用。玻璃钢管道工作性能稳定，使用寿命长。以铺设l k mt b 6 0 x 5 管线为例， 沥青防腐管的使用寿命约为1 5 年，而玻璃钢防腐管道的实际使用寿命一般超过 3 0 年，期间不需要维修补漏。玻璃钢管道内壁光滑，对介质的阻力小。如m 2 1 9 m m 的玻璃钢管道和西2 7 3 m m 的金属管拥有同样的输送效果，缩径后的综合造价比 第一章绪论 金属管道低2 0 0 , 6 ，经济效益明显增加。多年的应用实践表明，玻璃钢管是一种经 济、实用、可靠的非金属管材。 ( 2 ) 化工工业 在化工行业中，玻璃钢管应用于酸、碱、盐及各种溶剂等环境中，并在使用 多年后未发现渗漏和异常现象，因此玻璃钢管得到化工领域的普遍认可。如磷酸 厂采用a 聚酯玻璃钢管输送质量分数4 0 的磷酸，输送温度达到9 0 ( 2 ，使用5 年未坏，而铜管和不锈钢管却使用不到2 年。随着玻璃钢管改性技术的提高，特 别是抗渗性、耐腐蚀性和耐高温性的提高，玻璃钢整个制品的综合性能十分优良， 这种管道在今后会获得良好的工业应用。 ( 3 ) 城市给排水工程 随着城市化进程的加快，城市基础设施的建设将成为今后经济发展的重点， 而各种管道铺设、管网建设和雨污水排放工程是其中十分重要的方面。由于玻璃 钢管耐腐蚀、无污染、防渗、高强，故在市政建设工程中己得到广泛的应用。如 江苏太仑用直径1 2 0 0 m m 的玻璃钢管作为饮水管线；七宝山硫铁矿安装了内径 3 0 0 m m 的玻璃钢井下排水管道；北京市政工程用直径9 0 0 m m 玻璃钢管作为城市 排水管道。这些使用玻璃钢管的给排水工程，综合效益非常显著。 ( 4 ) 其他 玻璃钢管道在我国除用于上述领域外，在造纸、建筑、铁路运输、通风等领 域也有不同程度的使用。如玻璃钢管道用作烟囱抽拔腐蚀性气体，不仅可以承受 抽拔时所产生的负压，还不会产生分层。但这些领域选用玻璃钢管道的数量十分 有限，因而玻璃钢管道在这些领域的应用有待进一步开拓。 1 2 3 玻璃钢管道的制造方法 玻璃钢管的种类较多，根据使用压力和受压情况可分为乜2 1 ：高压管( 使用内 压为5 3 0 m p a ) 、中、低压管( 使用压力为0 1 - - 4 m p a ) 、内压管和外压管；根据 所用基体材料科分为：不饱和聚酯玻璃钢管、环氧玻璃钢管和酚醛玻璃钢管。不 同种类的玻璃钢管不仅使用原材料不同，制造方法亦有区别。下面主要阐述玻璃 钢管的制造方法。 a 手糊玻璃钢管。手糊工艺是树脂基复合材料制造中最早采用和最简单的 方法，其工艺流程如图1 4 所示啪1 。手糊成型玻璃钢管常用玻璃布或毡做增强材 料，一般根据产品的性能要求对其进行裁剪，采用对接或搭接的方法铺叠成型。 天津工业大学硕士学位论文 图l - 4 手糊成型工艺流程 b 纤维缠绕玻璃钢管。在纤维缠绕加工中，将树脂浸渍的连续纤维束或布 带按预定的纤维排列规律缠绕到芯模上，达到制品的设计厚度后，经过室温或加 热固化成型，形成复合材料制品。纤维缠绕玻璃钢管可分为定长缠绕玻璃钢管和 连续缠绕玻璃钢管。上述两种缠绕玻璃钢管又可分为夹砂管和不夹砂管。夹砂管 的刚度大，成本低，适用于承受外压的管线。 c 预浸布卷制管。目前我国玻璃钢管道中，卷制成型的数量较多。卷制管 浸胶均匀，尺寸准确，多用于电绝缘套管。 d 离心浇铸玻璃钢管。该种管道的内外表面都很光滑；管壁中含砂量可达 6 0 - - , 6 5 ，具有刚度高、成本低的优点，在承受较大外压的给排水工程中适合 使用。 纤维缠绕玻璃钢管是树脂基复合材料制品常用的成型方法，纤维缠绕的方向 性强，制品一般不受尺寸的限制，并可整体缠绕，且缠绕时纤维摩擦少；缺点是 设备投资费用大，缠绕时容易产生气泡，从而使制件内部空隙大，同时纱线张力 不易控制，制品的形状有局限性，多为圆柱体、球体以及某些正曲率的回转体。 预浸布卷制管浸胶均匀，管材口径不受限制，可生产各种规格的产品，但是制品 成型性不好，使用过程中容易造成剪切变形。离心浇铸玻璃钢管内外表面较光滑， 刚度高，成本低，但是设备投资费用大，安装时对地质环境要求高，存在接头问 题。由于手糊工艺不需要特殊设备，投资少，对各种产品尺寸和形状都适用，因 此本课题采用手糊工艺成型玻璃钢管。 1 3 回转体复合材料预制件的制造技术 复合材料是由两种或两种以上不同性质的材料，通过物理或化学方法复合而 成的新材料。各种材料在性能上能够互相取长补短，产生协同效应，使复合材料 的综合性能优于原组成材料而满足不同实际使用的要求乜引。织物作为复合材料预 制件具有许多优点，如织物结构可设计性好，经纬向具有良好的尺寸稳定性，平 第一章绪论 面覆盖系数较大等。作为复合材料预制件的织物主要有机织物、针织物、编织物 和非织物晒1 。回转体型复合材料预制件是利用织造、缠绕等方法把织物做成回转 体形状，其成型方法归纳为四种，分别是平面织造法、缝合法、立体织造法和仿 型织造法涵1 。 1 3 1 平面织造法 平面织造法是采用两维织造技术加工三维机织物的方法。为了在普通织机或 改造的普通织机上制织立体机织物，需要将所织造的三维预制件压扁，使之成为 一种平面多层结构的织物，再利用多层织物的织造原理制织出织物，最后通过拓 展方法，将多层织物还原成所需的管状机织预制件的立体形状瞳7 1 。 平面织造法中选择的织物组织将影响完全组织经纱循环数的大小。如图1 5 的交织方法中，上、下层织物都有两层经纱构成，其中1 5 ( a ) 采用角连锁组织， 需采用1 2 页综框；而图1 5 ( b ) 为正交组织，使用8 页综框即可织造。可见， 采用正交组织有助于减少不同运动规律的经纱数。 1 3 2 缝合法 ( a ) 角连锁组织( b ) 正交组织 图l - 5 织物组织对经纱循环的影响 缝合法是一种利用已成熟的缝纫工艺将二维平面织物加工成三维纺织预制 件的方法。由于玻璃、碳等纤维弹性差，在制造回转体结构的复合材料时，为了 避免织物褶皱，常常需要剪开织物，通过缝纫、粘合或层合技术使之组装成整体， 以满足曲面织物的变形要求。 1 3 3 立体织造法 立体织造是采用新型的立体织机直接织造出三维整体预制件啪1 。这种立体织 物结构由轴向、周向和厚度方向三个方向的纱线交织而成，增强了复合材料的层 间强度，具有优异的整体受力性能。 立体整体机织物一般选用正交三维织物加工方法，织物中三个系统的纱线以 天津工业大学硕士学位论文 正交状态配置，纱线在理想状态下呈伸直状态，这有利于充分利用纱线的固有特 性，提高织物的尺寸稳定性。利用正交三维非织造法可以很容易加工出三维三向、 三维四向、三维五向、三维七向等织物，但是生产效率低，不能使加工自动化。 1 3 4 仿型织造法 仿型织造技术汹1 可以按照制品轮廓的展开形状生产单层机织布，生产的织物 经纬纱不等长，织物呈现曲面结构。因织物初步具有制品的形状，在缠绕复合成 型时不需要裁剪，将所需层数的预成型织物缠绕或层合起来，即可得到复合材料 制品。 为了织造仿型缠绕织物，需要获得回转体结构的外( 内) 廓形状。例如圆锥 形回转体结构的曲面展开形状为圆环形，因此仿型织造法所织造的织物是圆环形 的单层机织布，其结构示意图如图1 - 6 所示啪1 。这种织物在复合成型圆锥管道时， 只需螺旋缠绕在模具上，缠绕的层数根据制品厚度决定。调整环形织物的大小半 径差异，可以适应不同锥度的要求。 图1 6 圆锥体预成型织物示意图 1 3 5 四种成型方法的比较 在圆直管道复合材料预制件的生产方法中，平面织造法织造出的织物厚度极 为有限，且管状织物左右折幅处的经纱密度不容易控制，容易造成折幅处不平整。 缝合法需要裁剪织物，不仅增加了工艺流程，产生边角余料，使复合材料的成本 增加，还使预制件织物中的纤维不连续，从而降低复合材料的力学性能和结构一 致性。立体织造法需要专用的生产设备，投资费用大，生产效率低。 仿型织造可在稍加改造的普通织机上完成，一般仅对送经机构和卷取机构进 行改造，设备投资费用低，生产效率高。生产的仿型织物整体性好，加工过程 简单，对纤维的损伤小，并且织物无需裁剪就可满足曲面结构的变形要求，因此 生产的仿型织物在许多产业领域具有良好的发展前景。 第一章绪论 1 4 本课题主要研究内容 本课题采用仿型织造的方法，主要是基于预成型织物设计和织造原理，探索 复合材料圆直管道的成型技术和工艺，其工艺过程如图1 - 7 所示。 复合材料圆 管表面展开 预成型织物 设计 预成型织物 织造 图1 7 复合材料圆直管的成型过程 缠珊塑h 复合成型织物l 7 i “9 ”2 为了使制品的成型性和力学性能优良，主要进行以下方面的研究： ( 1 ) 圆直管道预成型织物的设计 根据复合材料圆直管道壁厚确定预成型织物需要缠绕层数，再根据圆直管表 面展开形状和尺寸，计算织物上机幅宽、经纬纱密度和根数等，从而获得圆直管 预成型织物。 ( 2 ) 圆直管道预成型织物的织造和成型控制 对织机的送经、卷取机构和张力装置进行改造，按照仿型织物的设计要求， 在改造的织机上对织物进行织造。在织造过程中，探索卷取辊形状以及织物上机 参数对织物的成型产生的影响。 ( 3 )圆直管预成型织物的缠绕复合成型 采用手糊成型法，将圆直管预成型织物缠绕在模具上，为了获得较好的成型 效果，需对圆直管的缠绕工艺进行设计。然后采用三种不同组织的预成型织物与 不饱和聚酯树脂复合成型，制成复合材料圆直管。 ( 4 ) 复合材料圆直管力学性能测试 通过对圆直管环刚度和拉伸性能的测试和理论分析，得出环刚度和拉伸性能 的主要影响因素。并根据其影响因素，得出提高圆直管道力学性能的有效方法。 9 天津工业大学硕士学位论文 1 0 第二章圆直管道缠绕用预成型织物的设计 第二章圆直管道缠绕用预成型织物的设计 2 1 圆直管道预成型织物的设计原理 复合材料圆直管道是由预成型织物按照一定要求层叠缠绕在模具上，然后与 树脂复合固化制成的管道。为了获得既节省材料，又满足使用要求的成型良好的 玻璃钢圆直管道，需要对圆直管道的预成型织物进行设计，其设计过程如图2 一l 所示。首先假设复合材料回转体成型良好，即预成型织物缠绕层之间贴覆性好， 然后按照织物缠绕成型规律进行退绕，通过理论分析确定预成型织物的形状，然 后根据织物形状改造卷取机构，最后在改造的传统织机上织造出具有曲面结构的 带织物。 圆直管道预制 件逐层退卷 确定预成型织 物形状 改造织机卷取 机构 图2 i 圆直管预成型织物的设计 预成型织物 织造 圆直管预成型织物在不同层叠缠绕处厚度不等，设计卷取辊形状呈阶梯形。 图2 - 2 所示为预成型织物缠绕成型3 层圆直管道所需卷取辊形状。织造过程中， 织物会根据卷取辊的形状对其进行包覆，进而形成具有阶梯形状的仿型结构。这 种方法织造出的织物不仅使螺旋缠绕持续进行，还避免织物缠绕时出现架空或褶 皱现像，从而获得了成型良好的圆直管道。 ，| l | l | | | | | 一一- _ 、jl | | v l i f ； 图2 - 2 卷取辊示意图 天津工业大学硕士学位论文 2 2 圆直管道预成型织物设计 圆直管道预成型织物的设计包括诸多方面，下面将主要对材料设计和结构设 计进行阐述。 2 2 1 纤维材料选择 复合材料圆直管道根据使用环境的不同及使用性能要求对其进行材料设计。 玻璃钢管道的增强材料以玻璃纤维为主，玻璃纤维种类多样，按玻璃纤维中n a 2 0 和k 2 0 含量不同，可将其分为无碱玻璃纤维( e 玻璃纤维) 、中碱玻璃纤维( c 玻璃纤维) 、有碱玻璃纤维( a 玻璃纤维) 和高碱玻璃纤维( s 玻璃纤维) 。表2 1 为几种常用玻璃纤维的物理性能的比较。 表2 1 几种常用玻璃纤维物理性能 从表2 1 中容易看出，不同种类玻璃纤维除了具有不同的物理性能外，其化 学性能亦不相同。表2 - 2 为无碱玻璃纤维与有碱玻璃纤维的性能对比。 表2 2 无碱与有碱玻璃纤维性能对比 e 玻璃纤维亦称无碱玻璃纤维，其含碱量在0 8 以下。从表2 1 和表2 - 2 中 第二章圆直管道缠绕用预成型织物的设计 得知，这种纤维强度较高，耐热性和耐老化性能优良，化学稳定性也好，其最大 的特点是电绝缘性能好，因此，国内外大多数都使用e 玻璃纤维作为复合材料的 原材料。本课题选用3 5 0 t e x 无碱玻璃纤维作为增强材料。 2 2 2 圆直管道预成型织物的结构设计 为了实现回转体仿型织造，需要获得制品的轮廓形状，然后以不等长度的经 纱与纬纱相交织，织制出具有曲面结构的机织物恤1 。在织造前对圆直管道预成型 织物的结构进行设计有着至关重要的作用，不仅能满足管道所受载荷的要求，还 能使管道的成型性良好。圆直管道预成型织物的结构设计主要有管道表面网格 化、管道表面展开和经纱长度的设计。 2 2 2 1 管道表面网格化 网格划分是指将形体结构离散为简单单元的组合。回转体仿型织物由于其织 造方法与普通机织物有相似性，使得其每个单元体呈任意四边形b 3 1 。因此，用四 边形微元体可将回转体表面网格化。圆直管道表面网格化如图2 - 3 所示。 图2 3 圆直管道表面网格图 具体做法是用两组分别代表经纱和纬纱的网格线，将圆直管道表面划分成许 多小的四边形，从而得到圆直管的网格曲面【圳。网格化过程，简化了回转体预成 型织物的模型结构，不仅有利于对织物结构的分析，还可使分析计算的精度有所 提高，对工程和科学中的特定问题有重要意义。 2 2 2 2 管道表面展开 回转体表面展开形状因回转体的结构而异，如圆柱体的表面展开形状为矩 形平面，见图2 4 。 天津工业大学硕士学位论文 墨够 图2 - 4 圆柱体曲面展开图 纬势 复合材料回转体制品是由预成型织物缠绕复合成型的，为了织造效果较理想 的织物，先假设复合材料回转体成型良好，即预成型织物缠绕层之间贴覆性好， 然后按照织物缠绕成型规律进行退绕，退绕下来的织物应与回转体表面展开图相 符。本实验研制的是玻璃钢圆直管道，其表面展开图见图2 5 。圆直管道预成型 织物根据表面展开图进行织造。 图2 5 玻璃钢圆直管道表面展开图 2 2 2 3 经纱长度设计 圆直管道预成型织物是在改造的普通织机上进行的，织机卷取辊呈阶梯形。 为了使织物能够螺旋缠绕在模具上的，且成型性良好，织物亦呈阶梯形状，图 2 - 6 为一个缠绕3 层的圆直管所用织物示意图。 第二章圆直管道缠绕用预成型织物的设计 图2 - 6 圆直管道预成型织物示意图 由图2 - 6 可知，织物在幅宽方向等分为i 、和三个部分，每个部分所需 经纱长度并不相同。设织物厚度为h ，模具半径为r ，假如缠绕一个n 层圆直管， 织物在幅宽方向被分为1 1 个部分，则各个部分的经纱长度l i 依次为： l j l = 2 积 l ，2 = 2 n r + 2 u ( r + 日) l ，3 = 2 n r + 2 u ( r + h ) + 2 u ( r + 2 h ) 加= 2 积+ 2 z t ( r + h ) + 2 7 r ( r + 2 h ) + 一一一一+ 2 万( r + n h ) ( n = l ，2 ，3 一一) 2 3 本章小结 本章主要介绍圆直管道预成型织物的设计。首先在第一节中介绍了预成型织 物的设计原理。在第二节中对圆直管的材料进行设计，主要是根据不同的使用环 境及使用性能，选用不同的纤维材料。为了满足管道所受载荷的要求，同时使管 道的成型性良好，第三节主要针对预成型织物的结构进行设计，包括管道表面网 格化、管道表面展开和经纱长度的设计。 天津工业大学硕士学位论文 第三章圆直管预成型织物的织造及成型控制 第三章圆直管预成型织物的织造及成型控制 本章主要讨论圆直管预成型织物的织造原理、织物参数设计和织造工艺，并 讨论织造过程中织物成型存在的问题及相应的解决办法。 3 1 圆直管预成型织物的织造原理 圆直管道预成型织物是利用仿型织造技术，织制出具有曲面结构的机织物， 如图3 1 所示。织物由经纱和纬纱两个纱线系统构成，经纱沿回转体的圆周方向， 纬纱沿回转体的母线方向，这种设计使预成型织物具有可织性。经纱从纱架上引 出，依次穿入张力控制装置、综丝与钢筘，然后分别固定在卷取辊上。由于织物 在卷取辊不同半径处，对应的经纱长度不同，因此经纱采用独立的供纱装置和张 力控制装置，这样可使经纱张力在织造过程中保持恒定。在织造过程中，用阶梯 形状的卷取辊对织物进行卷取，织物会包覆在卷取辊上，从而形成具有阶梯形状 的仿型结构。 图3 1 圆直管道预成型织物织造方法示意图 天津工业大学硕士学位论文 3 2 织机改造 为使圆直管道预成型织物成型良好，需对普通织机的某些机构进行改造，主 要集中于送经结构和卷取机构哺1 。 ( 1 ) 卷取机构的改造 卷取机构主要是将织口处初步形成的织物引离织口，卷绕到卷布辊上。同时 卷取机构还可与织机上的其他机构相配合，确定织物内纬纱的排列密度和排列特 征。通过在卷布辊轴上安装变截面的成型体，可以很好地改造卷取机构。成型体 一般根据所要织制的回转体的表面展开形状进行设计。 传统带织物在缠绕成型圆直管时，织物与模具不能形成良好的贴覆，从而出 现架空现象，并且缠绕不能持续进行。图3 2 为传统带织物缠绕成型圆直管的效 果图。 a 横向示意图b 纵向示意图 图3 - 2 传统带织物缠绕成型圆直管 本实验织造的是圆直管预成型织物，其卷取辊形状呈阶梯形。织物会根据卷 取辊的形状对其进行包覆，进而形成具有阶梯形状的仿型织物。图3 - 3 所示为预 成型织物缠绕3 层成型圆直管道所需卷取辊形状。由于预成型织物在宽度方向应 该被平均分成三个部分，相应卷取辊也被均分为a 、b 和c 三个区域，图中h 为卷取辊直径预增加高度。 第三章圆直管预成型织物的织造及成型控制 ：j ：h个 多。名一 一- j 垒一一j j ab c 图3 3 卷取辊示意图及圆直管螺旋缠绕图 卷取辊的预增加高度h 与织物的厚度有关，织物厚度与纱线细度、纱线弯曲 程度以及织物组织有关。以简单的平稳组织为例，假定纱线为圆柱体，且无变形， 则织物厚度可在2 d 3 d 范围内变化。阶梯型卷取辊预增加高度h 的具体数值计算 如下： 设织物以螺旋角a 进行螺旋缠绕，卷取辊半径为r ，卷取辊预增加高度为h ， 模具半径为r ，织物厚度为h ，以织物缠绕模具一周所用的织物长度相比较： a 区织物缠绕长度为 b 区织物缠绕长度为 r一2积1- , a 一 - c o s 口 k = 2 砌+ s 口 c 区织物缠绕长度为 厶= 2 万( r + 2 s 口 矿 江= 墨：篙竽：笺笋 ( 3 1 ) ( 3 - 2 ) ( 3 3 ) ( 3 _ 4 ) 织造圆直管所用经纱长度并不等长，要想在普通小样织机上织造出这样的织 物，必须满足： 天津工业大学硕士学位论文 l ：厶：k = 2 ：2 万( ，+ 办) ：2 万p + 2 办) ( 3 - 5 ) 由公式( 3 - 4 ) 和( 3 5 ) 得出： r ：( 尺+ 日) ：( r + 2 h ) = ，：( ，+ 办) ：( ，+ 2 办) ( 3 6 ) 试验中测得，= 1 5 m m ，r = 2 0 r a m ，日= 0 7 m m 代入公式( 3 6 ) 得出：h = 0 5 2 5 m m 织造中只需