玻璃钢制品缠绕形式的确定.docx

玻璃钢制品缠绕形式的确定根据纤维在芯模表面的排列状况，缠绕线型可归纳为环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕三种。一、环向缠绕环向缠绕是芯模绕自身匀速转动，绕丝嘴沿芯模筒体轴线平行的方向移动，芯模每转一周，绕丝嘴移动一个纱片宽度，如此循环，直至纱片均匀布满芯模筒身段表面为止。环向缠绕只能在筒身段进行，只提供环向强度。环向缠绕角（纤维在芯模表面的切向方向与芯模轴线的夹角）通常在85-90之间，环向缠绕参数关系图（图5-1)和计算公式(5-1、5-2）如下：W兀Dctg (5-1)b兀Dcos（5-2）式中：D芯模直径b -纱片宽a缠绕角W-纱片螺距从图中得出，当缠绕角小于70时，纱片宽度就要求比芯模直径还大，这是不可能的，因此环向缠绕时，缠绕角必须大于85的原因。二、纵向缠绕纵向缠绕又称平面缠绕，图5-2a。缠绕过程中，绕丝嘴在固定平面内作匀速圆周运动，芯模绕自身慢速旋转。绕丝嘴每转一周，芯模转动一个微小角度，反映在芯模表面等于一个纱片的宽度。纱片与芯模轴线的夹角称为缠绕角，其值小于25。纱片依次连续缠绕到芯模上，各纱片均与极孔相切，相互间紧挨着而不交叉。纤维缠绕轨迹近似为一个平面单圆封闭曲线。平面缠绕基本线型图5-2b。式中：r1、r2-两封头的极孔半径Lc-筒身段长度Le1、Le2-两封头高度若两封头极孔相同（即r1r2r），封头高度相等（即Le1Le2Le）则 平面缠绕的速比i为芯模转速Zm和单位时间绕丝嘴绕芯模旋转次数n的比值，若纱片的宽度为b,缠绕解为，则速比为平面缠绕适用于球形、椭球形及长径比小于1的短粗筒形容器的生产。平面缠绕容器封头上（极孔处）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，使缠绕角值在一定范围内变化，以分散纤维在端头部的堆积。环向缠绕和纵向缠绕在一定条件下，可以看作螺旋缠绕的特例。三、螺旋缠绕芯模绕自身轴线匀速转动，绕丝嘴按照特定速度沿芯模轴线方向往复运动。螺旋缠绕的基本线型是由封头上的空间曲线和圆筒段的螺旋线组成的，图5-3。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。缠绕纤维与芯模旋转轴线之间的夹角称为缠绕角a，当缠绕角接近90时，实际上完成的就是环向缠绕，亦称高缠绕角螺旋缠绕。一般螺旋缠绕的缠绕角控制在15-85之间，此时绕丝嘴完成一个单程后的纱带与下一单程缠绕的纱带不再相切，而留下很大的缝隙。要使纤维均匀布满芯模表面，就必须让绕丝嘴重复一定次数的两个单程缠绕，才能填满这些缝隙。螺旋线缠绕纱带在芯模上相互交叉，当纤维均匀布满芯模表面时，就构成了双层平衡的纤维壳，所以螺旋缠绕的层数总是偶数。螺旋缠绕纤维绕过极孔圆时，要与极孔圆相切，在筒身段往复两个缠绕单程，缠绕纱片发生交叉现象。因此，可以用出现在封头极孔圆上的切点数和筒身段上出现的交叉点及交叉点连线数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。切点法是通过缠绕线型在极孔圆上对应切点的分布规律，找出芯模转角、线型和速比之间的关系。标准线法是从芯模表面的标准线出发，找出制品尺寸与绕丝嘴及芯模相对运动的关系，两种方法可以得出完全一致的结果。四、切点法缠绕规律线型是指连续纤维缠绕在芯模表面上的排布形式。用切点法描述螺旋缠绕规律，就是研究线型的切点数及其分布规律。1、纤维在芯模表面均匀布满的条件一个完整循环的纤维螺旋缠绕概念在缠绕过程中，由绕丝嘴引入的纤维自芯模上某点开始，经过若干次往返运动后，又缠回到原来的起始点上，这样在芯模上所完成的一次（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。显然。要使纤维均匀缠满芯模表面，则需要若干条由连续缠绕纤维形成的标准线。换言之，需要进行若干个完整循环缠绕才能实现。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。标准线的切点数和分布规律螺旋缠绕的纱片完成一个完整循环时，在芯模极孔圆周上只有一个切点，成为单切点。而在一个完整循环中，有两个以上切点的，称为多切点。由于芯模匀速旋转，绕丝嘴每次往返的时间又相同，故在极孔圆周上的各切点将等分极孔圆周。当一个完整循环的切点数n=1与n =2时，切点排布顺序是固定的。单切点与双切点的排布图5-4。当切点数n=3时，在与起始切点位置紧挨的切点出现以前，在极孔圆周上己出现了n3个切点。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，其切点排列顺序图5-5。纤维在芯模表面均匀布满的条件由于芯模上的每条纱片都对应着极孔圆上的一个切点，所以只要满足以下两个条件，就可以实现经过若干个完整循环后，纱片一片挨一片均匀布满整个芯模表面。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，在筒身段错开等于一个纱片宽度的距离。2、 模转角（即缠绕中心角）与线型的关系用表示一个完整循环螺旋缠绕的芯模转角。绕丝嘴往返一次，芯模转角用n来表示。绕丝嘴走一个单程，芯模转角用t表示。则： n=2 t= n （5-5） 不同切点线型的芯模转角n不同。单切点芯模转角1至少为360士或再加上360的整数倍（是一个微小增量，是为了使位置相邻的两切点所对应的纱片在圆筒段错开一个纱片，其值由纱片设计宽度决定）：1=（1+N）360士（N=1，2，3）（5一6）两切点线型的转角2为360/2士/2，或再加上360的整数倍，即2=（1/2+N）360士2 （5-7）两切点即为一个完整循环中绕丝嘴往返两次，错过一个，惯称为芯模转角的微调量。那么绕丝嘴往返一次时，则错开/2。同理，其它切点数线型的芯模转角：三切点时：3=（1/3+N）360士3 （5-8）n切点时：n=（1/n+N）360士/n （5-9）当n=3时，各切点位置排布顺序与时序不一致，图6-5。因此 3有两个值：3-1=（1/3+N）360士3 （5-10)3-2=（2/3+N）360士3 （5-11）4有两个值：4-1-（1/4+N）360士4 （5-12）4-2-（3/4+N）360士4 （5-13）5有4个值：5-1-（1/5+N）360士5 （5-14)5-2-（2/5+N）360士5 （5-15)5-3=（3/5+N）360士5 （5-16）5-4=（4/5+N）360士5 （5-17）n切点时： n-k-（k/n+N）360士n （5-18)式中，k为正整数，k/n为最简真分数，(k/n+N)值表示不同的线型，它代表某特定标准线型，/n表示芯模转交微调量，它保证纱片即不离缝，又不重叠。由上述分析可知，在一个完整循环中，切点数不同，纤维缠绕的线型不同，绕丝嘴往返一次的芯模转角也不同；如果在一个完整循环中，切点数相同而切点排布顺序不同，则纤维缠绕的线型也不同，绕丝嘴往返一次的芯模转角也不同。因此绕丝嘴往返一次的芯模转数可作为缠绕线型的“代号”。线型以绕丝嘴往返一次时芯模旋转的转数来表示。即：3,转速比和线型的关系转速比的定义转速比（简称速比）是指单位时间内，芯模转数与绕丝嘴往返次数之比，即完成一个完整循环，芯模转数与绕丝嘴往返次数之比。亦即：式中i实际速比；M一个完整循环的芯模转数；芯模转角的微小增量；n-一个完整循环中绕丝嘴的往返次数（即切点数）。转速比与线型的关系线型和转速比均属于缠绕规律问题，线型是指纤维在芯模表面的排布形式，而转速比是芯模和绕丝嘴相对运动关系，它们是全然不同的概念。但是，正如前述，不同的线型严格对应着不同的转速比。所以，我们定义线型在数值上等于转速比（即以转速比的数值作为线型的代号）即：i0=S0转速比的计算在实际计算中，采用纱片设计宽度进行计算比采用芯模转角的微小增量更方便。图5-6为筒身段展开的速比微调量计算图，可以看出：式中：b-纱片设计宽度；。缠绕角；D芯模圆筒段直径；n一切点数；N一一正整数；K一其值应使k/n为最简分数。当0时，纱片滞后；0时，纱片超前。工艺上避免滑线，通常取负值。4、线型设计芯模转角的计算对于一个制品，缠绕现行如何确定呢？核心是如何确定芯模的转角n,因为它对应着固定的线型和转速比。由前面分析可知，绕丝嘴往返一次时的芯模转角只要满足：就意味着满足了纤维缠绕均匀分布芯模表面的两个条件。因为不同的n, N, k对应着不同的n,所以满足纤维有规律布满芯模表面两个条件的芯模转角有若干个。但对于一定几何尺寸的具体制品并非所有n都合适。这是因为纤维在容器封头曲面上的位置不一定稳定，可能发生滑线。从理论上讲，封头缠绕不滑线的必要条件是纤维缠绕在封头曲面的测地线（若曲面上一条曲线在各点的主法线与曲面在同一点的法线重合，则这条曲线就称为测地线）上。于是，便产生了纤维有规律均匀布满芯模表面的条件纤维位置稳定条件这个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。那么，带封头的圆筒形容器的测地线如何确定呢？对于筒身段而言，任意缠绕角的螺旋线都是测地线。封头曲面，根据微分几何的壳列洛定理，其测地线方程为： 式中：a一测地线与封头曲面上子午线的夹角；r0封头极孔圆半径；r一测地线与子午线交点处平行圆直径。方程表明，在封头曲面上，测地线与子午线夹角的变飞七规律：当r= r0时，a兀/2。随着r增大，a逐渐变小；在封头曲面与圆筒段相交处，由于缠绕纤维的连续性，封头与筒身缠绕角相等，即aa0。总之，在封头曲面上，满足这个方程的曲线就是测地线。由于在筒身段任意缠绕角的螺旋线都是测地线，所以，通过上式计算求得的缠绕角所确定的纤维位置，无论在封头和筒身段都是测地线，因而也是稳定缠绕。当纤维按照测地线轨迹缠绕时，绕丝嘴往返一次的芯模转角是固定的。安心目测地线缠绕求得的芯模转角，只有等于用均匀不满两条件确定的芯模转角时，才能使纤维即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。芯模转角n是通过计算单程线芯模转角t来得到的。所谓单程线芯模转角t，是指纤维从容器一端极孔圆周上某点出发，按测地线轨迹缠绕至另一端极孔圆周某切点，单程期间内芯模所转过的角度。显然n=2t。而t是由两部分组成的；筒身段缠绕芯模转过的角度（亦称进角）和封头缠绕芯模转过的角度（亦称包角）即：2）的求解封头曲面测地线缠绕所对应芯模转角的计算比较复杂。因此通常采用平面假设法对封头芯模转角进行计算。图5-9,过纤维在赤道圆的两个交点(A, D)作一平面与极孔圆相切（切点为B)。 封头曲面相交的交线即为纤维缠绕轨迹。此平面称截平面，与筒体轴线夹角为吼，则封头缠绕芯模转角为：2(90) (5-29)过D点作平面II平行于平面HBC,与截平面交线为DF过D点作筒体的切平面I与截平面的交线为DE.平面I与II的交线为DG。 G点作平面与DG垂直，与平面I与II相交的交线分别为EG和FG,与截平面的交线为EF。线型的确定在满足纤维有规律均匀布满芯模表面的线型表中，如能找到一个n恰好等于以测地线缠绕某制品求得的芯模转角n时，那么用此线型和速比对此制品进行缠绕，就同时满足了纤维有规律均匀布满芯模表面的几何条件和纤维位置稳定条件。至此，只要容器几何尺寸条件确定，线型和速比也就确定并可求知了。但是，为了避免在极孔处纤维架空而影响接嘴强度，在选定线型时，应尽量选切点数较少的线型，最好选择五切点以内四线型。这样通过计算得到的n值，在小切点线型表中就可能找不到与其相等的n，但是唯有线型表中的n才能满足纤维有规律均匀布满芯模的条件。因此，就必须适当调整t值，使其与t相等。可以选用