复合材料制备技术讲义(7)－缠绕成型实例.ppt

复合材料成型与加工技术,第5章缠绕制备技术,5.1缠绕成型基本原理,5.2主要特点,纤维含量高，纤维强度发挥好；芯模成型；按规律缠绕，可保纤维在缠绕时，在芯模上既不滑移也不堆积。,5.3主要的缠绕制品,饮用水（或下水）管道；枪炮管；导弹壳体；火箭发动机壳体；汽车（或火箭、飞机）内压气瓶等,玻璃纤维缠绕全复合材料压力容器,碳纤维缠绕高压容器,碳纤维缠绕球形容器,复合材料氧气瓶,碳纤维缠绕异型容器,5.4缠绕设备,5.4.1机械式缠绕机（1）小车环链式缠绕机（实现环向和螺旋缠绕）（2）绕臂式（立式）缠绕机（3）滚转式缠绕机（纵向小角度缠绕）5.4.2计算机控制缠绕机,滚转式缠绕机,绕臂式缠绕机,小车环链式缠绕机,5.5缠绕芯模,5.5.2芯模的种类（1）不可卸式金属芯模（内衬与芯模，内压容器）（2）金属可卸式芯模（多块零件组合）（3）可敲碎式芯模（石膏、石膏砂、石蜡、陶土）（4）橡皮袋芯模（充气膨胀，不适合大直径制品）（5）组合芯模（金属橡胶、金属石膏）,5.5.1芯模设计原则（1）能承受因缠绕操作而引起的工作载荷的作用；（2）在使用过程中，要保证制品尺寸和外形；（3）能经受住固化温度的作用；（4）便于脱模,常用的内压容器，一般采用双酚A型环氧树脂；高温使用的容器则采用酚醛型环氧或脂肪族环氧树脂；一般管道和贮罐多采用UP树脂；航空和航天制品采用环氧和双马来酰亚胺树脂等。,5.6常用原材料,5.7一般缠绕制品的结构,内衬层：直接与介质接触。防腐、防渗、耐温。主要材料有金属、橡胶、塑料、玻璃钢等。结构层：保证制品在受力情况下，具有足够的强度、刚度和稳定性。外保护层：延长制品的使用寿命。,耐大气老化实例1对于室外玻璃钢制品，在间苯二酸型或双酚A型树脂中，加入石蜡，可以保护810年；耐大气老化实例2在UP树脂中加入紫外线吸收剂，大大降低制品变黄的速度，提高透光率，提高制品的耐候性。,5.8缠绕规律,5.8.1缠绕类型,描述纱片均匀连续排布芯模表面以及芯模与导丝头间运动关系的规律。具体要求（1）纤维既不重叠也不离缝，均匀连续布满芯模表面（2）纤维在芯模上位置稳定，不打滑；,环向缠绕,螺旋缠绕,纵向平面缠绕,（1）环向缠绕规律（提供环向强度，纤维不交叉）,（2）纵向平面缠绕规律（提供轴向强度，纤维不交叉）,（3）螺旋缠绕规律（提供环向和轴向强度，纤维交叉）,线型S0与n、n、K、N之间关系表,5.8.2螺旋缠绕制品芯模尺寸设计,（计算）,（查表）,?,5.9缠绕工艺参数,（1）纤维烘干,（2）制品含胶量控制.直接影响对制品质量和厚度的控制；.影响制品的力学性能,制品爆破压力与树脂含量关系,影响含胶量的因素,胶液粘度对含胶量的影响,缠绕张力对含胶量的影响,（3）缠绕张力控制,纤维缠绕张力与制品剪切强度的关系,纤维预加张力与内压容器基体开裂点的关系,缠绕张力大小对环形试件机械性能影响,缠绕张力均匀性对环形试件弯曲强度的影响,玻璃钢管成型压力与体积密度的关系,（4）缠绕速度,（5）固化制度与模压工艺制度相同。,5.10缠绕张力递减制度,制品由多层连续纤维缠绕构成，纤维在缠绕张力作用下，外纤维层都会对内纤维层产生径向压力，迫使其径向发生压缩变形，使内纤维层变松。若采用恒定的缠绕张力，将会使制品纤维层呈现内松外紧状态，致使纤维不能同时承载。因此将大大降低制品强度和疲劳性能。采用张力递减制度，可控制外纤维层与内纤维层削减后的张力相同，使制品由内到外的全部纤维层具有相同的初张力，提高制品强度和疲劳性能。纤维缠绕内压容器的爆破强度、体积变形率、疲劳次数、含胶量等都与选择的初张力及张力递减制度有关。关键问题：纤维初张力的确定；张力递减制度。,带内衬的纤维缠绕内压容器环向缠绕张力递减制度设计,（1）张力制度的假设条件内衬和缠绕纤维在内压作用下具有相同的变形；树脂固化收缩不引起纤维压缩变形，即树脂固化前后纤维应力相同；外层纤维的缠绕张力使内层全部缠绕层与内衬产生压缩变形，压缩力值与外层缠绕张力值相等。（2）确定纤维初应力的原则使内压容器在内压从零到检验压力反复加卸载过程中，内衬材料始终能处于弹性阶段工作。即在零内压时，内衬处于压缩状态，在检验压力时，内衬材料的应力仍在弹性极限以下。,（3）张力制度的设计,公式中各符号的意义,T：缠绕张力，Tt（N/cm）；tof：内衬的纤维当量厚度，tofE0t0/Ef；：给定的各层纤维初应力；：t各缠绕层厚度；n：总的缠绕层数；j：第j纤维层；：纱片应力；E0：内衬材料弹性模量；Ef：纤维材料弹性模量；t0：内衬厚度；m：纤维纱片密度，根/cm；,.第j层缠绕张力计算公式,.每根纤维纱片的缠绕张力公式,.环向与螺旋向交替缠绕时，任意环向缠绕层缠绕张力公式,Tn：最外层环向纱片缠绕张力，N/cm；tf：环向缠绕纤维总厚度，tfnt；tf0：螺旋缠绕纤维总厚度，tf02n0t0；t，t0：分别为环向和螺旋缠绕单层纤维厚度；n：环向缠绕层数；n0：螺旋缠绕循环数；J：第j层以里的螺旋缠绕循环数。,5.11其它的缠绕方法简介,（1）定长管非测地线稳定缠绕,（2）弯管缠绕,图片P228,（3）锥体缠绕,当制品在考虑气动效应时，一般需设计锥体形状，如飞机雷达罩、导弹整流锥等，而这些结构因为是轴对称结构，常常采用缠绕成型方式。,（4）圆管内侧缠绕,缠绕内压容器的筒身段强度设计,1.内压容器受力情况分析,2.内压容器缠绕设计思路,（1）未失效时,（2）失效时,（1）未失效时,（2）失效时,轴向富余：,轴向富余：0,3.设计方法,网格理论认为壳体的薄膜内力全部由连续纤维构成的网状结构承担。由网格理论抽象出来的网状结果只能承受薄膜张力。虽然不能解决弯曲、剪切、不连续应力和屈曲等问题。对高压气瓶、发动机壳体等产品按网格理论设计和实测强度结果比较吻合。假设条件：（1）容器载荷全部由纤维网格承担，基体没有承载能力，仅起固定纤维作用；（2）纤维只能承受沿纤维方向的拉伸载荷，没有抵抗弯曲、扭转和剪切变形的能力。,4.薄壁容器,符号含义：t：壁厚（mm）；R0：中面的曲率半径（mm）,5.网格理论基本公式推导,（1）方向单层纤维受力分析（2）方向单层纤维受力分析,T0,T0,符号含义：T0：一根纤维纱片的强力（N/根）n：螺旋缠绕纤维在单位长度上的根数。,网格理论基本公式,因缠绕内压容器纤维环向内力是轴向内力的2倍，则有T/T=tg2=2，则54448。sin=d/D=0.816d0.816D结论：带封头的压力容器，采用螺旋缠绕和环向缠绕相结合方式,6.网格理论基本公式分析,7.内压容器筒身段各向缠绕层数计算公式,NnJTmcos2NnJTmsin2nJTm,符号含义：N：环向内力，NPR；N：螺旋向内力，NPR/2；T0：单根纤维的强力（N/根）；T：螺旋向单根纤维的强力（N/根），TkT0（k1，常取0.75）；T：环向单根纤维的强力（N/根），TT0；J：环向缠绕层数（层）；J：螺旋缠绕层数（层）；m：环向纱片密度（根/（mm层），m=1/b，即单层环向纤维在单位长度上的根数；m：螺旋向纱片密度（根/（mm层），m1/b；b：环向缠绕时纱片的有效宽度；b：螺旋缠绕时纱片的有效宽度；P：容器的内压；R：容器的内径；M：纵向缠绕圈数。,（1）螺旋缠绕层数计算,（2）环向缠绕层数计算,或,na:纤维的根数,8.内压容器筒身段壁厚估算公式,（1）单根纤维的横截面积理论估算,符号含义：A：单根纤维的横截面积（mm2）；：纤维的密度（g/cm3）；：纤维的公称支数（m/g）。,（2）单层纱片的厚度估算,符号含义：t：螺旋向单层纱片的厚度（mm/层）；t：环向单层纱片的厚度（mm/层）；,（3）纤维缠绕层的厚度估算,符号含义：螺旋向缠绕层总厚度（mm）；：环向缠绕层总厚度（mm）；,（4）容器筒身段壁厚估算,符号含义：WR：复合材料中树脂的重量含量Vf：纤维的体积分数（）；t：容器壁厚（mm）；,缠绕内压容器的封头段强度设计,依然采用薄膜理论,符号含义：N1：单位长度上该点的经向内力（N/mm）；N2：单位长度上该点的纬向内力（N/mm）；R1：该点经向的曲率半径（mm）；R2：该点纬向的曲率半径（mm）；P：容器在该点承受的载荷（MPa）。,缠绕制品实例1内压容器,1.技术要求容积：（4.40.2）L；最大允许外径：86mm；质量：小于4.5kg；工作压力：200MPa；常温爆破压力：大于1000MPa；200MPa压力下的疲劳次数：大于800次；考核试验：高温、低温、温度冲击、恒温、恒湿、水平冲击、振动,2.原材料（1）增强材料,（2）基体树脂配方及性能,树脂浇铸体的性能,（3）单向纤维板的性能,单向纤维板的试样规格及试验条件,单向纤维板的常温力学性能,单向纤维板高温下力学性能,单向纤维板热老化后的力学性能,3.容器内衬选用厚1.5mm的两向变形率较一致的含钛铝板焊接成型，直径76mm。,4.缠绕规律选择速比：i21/5；缠绕角：2140纤维在容器头部的包角：16725纤维在筒体段的进角：58835,容器爆破试验结果,试验结果分析：容器的爆破强度达到了设计强度。环向纤维的破坏应力为1950MPa，纵向纤维的破坏应力为1570MPa。分别为单向纤维板破坏应力的86和70；容器的特性参数（破坏应力容积/复合材料质量）为1.54E6m2/s2，接近美国上世纪70年代玻璃纤维/环氧树脂复合材料压力容器的水平。容器外径、质量均符合设计要求。破口形式及破坏部位也较合理。,5.容器强度设计（1）胶纱的设计强力计算f设f（1K1K2CV）因胶纱的平均强力为（221.774.13）N，离散系数为0.175。则f设162.1N，将纤维制成玻纤/环氧复合材料后：实测为160N。,符号含义：f：胶纱的平均测试强力；K1：与保证大于R的概率有关，本设计中取K11.28；K2：随试件数量和置信度变化的值。试件数量在51100时，置信度为95时，K21.2；CV：强力离散系数。,（2）缠绕层数计算n8（根）n6.5（根）（第一、第二循环n7，第三、第四循环n6）b=0.44（mm）纵向缠绕圈数M80,环向缠绕层数,螺旋向缠绕层数,6.制造工艺纤维缠绕采用纵向、环向交叉缠绕。纵向和环向每次缠绕层数均为2层。缠绕张力从靠近内衬的缠绕层到最外层应逐层递减。以保证纤维在整个容器壁厚方向上受到尽可能相等的预应力。为了保证在容器头部各部分充分发挥纤维强度，弥补容器头部某些部位的环向强度不足，某些纵向缠绕循环应扩大缠绕极孔。容器采用分层固化的工艺规范，以保证纤维强度的发挥；同时保证容器整个壁厚方向上含胶量的均匀性。,7.性能试验,（1）常规性能容器的质量、外径测量；容器的体积测量；在30.0MPa压力下进行水压检验。同时测定容器的体积变形率；水压检验合格后，在20.0MPa气压下进行气密性检验