武理工复合材料工艺与设备教案07缠绕工艺及设备

第七章缠绕工艺及设备教学参考资料武汉理工大学精品课程第七章缠绕工艺1概述一、基本概念将连续纤维经过浸胶后，按照一定规范缠绕到芯模上，然后在加热或常温下固化，制成一定形状制品的工艺方法中。二、纤维缠绕工艺的分类GRP缠绕工艺过程中，根据缠绕时树脂基体的物理化学状态的不同，生产上分为干法、湿法及半干法三种。（见P248，P9-1）三、纤维缠绕GRP的优点及局限性缠绕GRP与其它工艺方法生产的GRP制品相比，具有一些更特殊的优点。1.比强度高缠绕GRP容器与钢质容器相比，重量减轻40～60%。缠绕GRP的最大拉伸强度可达4000kg/cm2以上。缠绕GRP高强度的原因主要有4点。①所用GF本身强度高采用无捻粗沙在接缠绕成型，减少了退并捻法等工艺，GF的强度损失大大减少。②缠绕GRP制品GF含量高，可高达80%。③缠绕成型避免了布纹交织点或短GF末端的应力集中。④缠绕成型，其纤维方向可自由决定。通过缠绕规律的设计（选择GF的取向和数量）。该产品实现等强度结构。2.缠绕GRP质量高而稳定，且生产率高，便于大批量生产，日前缠绕工艺易实现机械化和自动化，是目前GRP制品各种成型方法中机械从自动化程度较高的一种。3.缠绕GRP所用增强材料，大多是连续纤维，无捻粗沙和无玮带等，大大降低了GRP的成本。缠绕GRP及缠绕工艺存在着局限性，具体有6点：1.缠绕玻璃钢的弹性模量低；2.层间剪切强度低；3.纤维缠绕结构是各向异性，强度的方向性比较明显；4.缠绕GRP的延性小，消除开孔或开口周围应力集中的能力较小；5.目前缠绕工艺通常只适用于制造元柱体，球体及某些正曲率回转体产品。6.纤维缠绕必须借助缠绕机才能实现。（详见P251）四、影响缠绕GRP性能的因素缠绕GRP产品的性能与其他GRP产品一样，首先取决于原材料的性能，另外还取决于成型工艺及产品的结构设计，缠绕GRP产品由于其特点，后两点表现的尤为突出。1.原材料的影响2.产品结构设计所谓产品结构设计，即根据使用单位提出的各项要求，考虑GRP材料的特性和工艺特点，使材料发挥最大的能力。对于缠绕GRP制品，应首先计算出最大主应力，从而找出合理的纤维排布方向，并确定保证强度的最少纤维用量，及避免剪切应力等。3.生产工艺过程的影响保证缠绕GRP产品质量的具体工艺要求是：①保证GF按规定在制品各部位的均匀排布无滑移，并控制缠绕沙带宽度，防止制品因GF含量不足或排布不均匀而形成局部薄弱区域。确定合理的强力制度，保持纤维的初始应力相同，避免内松外紧。②树脂含量过多或过少以及分布不匀，都会上起不均匀的应力分布；树脂必须达到一定的固人程度，否则将严重降低。③在工艺过程中，要尽量减少气泡，降低气孔率，提高产品致密性。如在真空环境中缠绕，可清除全部气孔，改善GF/树脂的粘法性，可提高强度大约10%以上。五、缠绕GRP的现状及今后的发展1.现在国际上缠绕工业状况明显分成两部分航空空间部分和民用部分。航空空间工业的特点是生产高性能，高精度的缠绕结构，如火箭发动机壳体等。为了提高性能，除常用的S-GF/环氧树脂外，BF、CF、新型耐热聚合物都正在研究和应用。为了提高精度，正在研制或使用高精度难的数控缠绕设备。民用部分近年来发展很快，其主要产品包括贮罐，管材，压力容器等（详见P250）2.纤维缠绕作为GRP生产中最新的工艺，目前正有许多问题尚须进一步研究和解决。2原材料的选择缠绕GRP所用原材料仍然是GF及其织物和粘接剂两大类，其选用原则分别为：1.玻璃纤维①具有较高的强度和弹性模量；②对粘接剂有较好的浸润性；③有良好的工艺性，在缠绕中不断投向一束GF中各股之间的张紧程度要求均匀等。2.粘接剂①粘接剂对GF具有良好的粘接力和浸润性；②具有较高的机械强度和强模，延伸率应比GF略高；③具有良好的工艺性；④具有一定的耐温性和良好的耐老化性能。根据上述选材原则，缠绕工艺成型的主要原材料采用须浸渍GF无纬胶带（省略无纬带）它是采用GF无捻粗纱浸渍环氧或聚酯树脂经烘干处理制成的带子。因为无捻粗纱比加捻沙具有较高的强度80模量，但无捻粗纱的工艺性能较差，在缠绕中容易发生松散、起毛、张力控制困难等。将无捻粗纱采用环氧或聚酯树脂强浸渍后。提高了纤维束的抱合力，可以改善其工艺性能。下面我们主要介绍无纬带的生产情况。一、缠绕工艺中无纬胶带的特点：无纬带具有极高的单向强度，其制品拉伸以度高达10000kg/cm2以上，如采用S高经GF，经度可达13000kg/cm2以上，因此常用于缠绕强度，模量要求极高的高压容器，火箭发动机壳体等。二、制备无纬带用的原材料1.GF选用无碱无捻GF，支数和股数按产品要求而定。通常采用40s和80s无捻粗纱（单丝直径—强度—梳纱集束状态—利用率）GF在橡胶前后进行除湿处理或表面处理。2.树脂制造强浸渍无纬带目前主要采用环氧和聚酯树脂，下面介绍几种配方：①环氧—B②环氧—H③6207环氧④聚酯—B详见P254表9-2、9-3、9-4环氧—B（环氧—酚醛胶液的配方）环氧6341134或3201酚醛二甲苯：乙醇（1：1）混合液60—65%35—40%总量40%三、工艺过程及设备强浸渍无纬带生产工艺流程：排沙成带拉丝合股浸胶排沙成带拉丝合股浸胶烘干缠绕成盘包装2.采用合适的装置保持清纱用品的单纱强力均匀；（如80s，胶纱，张力选用10～15支）3.经过张力控制的各单纱，正常采用排纱集束成带带宽能进行调节。4.经排纱的纱带再进行浸胶，应严格控制胶带比重及无纬带含胶量。5.浸胶后的胶带进行烘熔其作用：①使胶带中低沸点组分受热挥发，以免在缠绕固化时起泡；②使树脂与固化剂强先反应，达到部分胶凝的B阶系。6.卷绕及收卷四、质量指标及工艺参数1.强浸渍无纬带的主要质量提标如下：①环氧—B强浸渍无纬带：可溶性树胆含量97%以上含胶量25±2%挥发约含量3±0.5%拉伸强度8000kg/cm2②聚酯—B强浸渍无纬带可溶性树含量97%以上含胶量27±3%挥发份含量3±0.5%拉伸强度7000kg/cm2.工艺参数对于上述质量指标影响较大的有三个工艺参数，即胶液比重，烘干温度和带子走速。①环氧—B无纬带：烘炉温度120—140℃浸渍速度4—6米/S烘干时间1′～1′30″胶液比重1.05～1.06g/cm3（20℃②聚酯—B纬带：烘炉温度90—100℃浸渍速度4—6米/S烘干时间1′～1′30″胶汇比重1.05～1.07g/cm2（20℃此外，天津带在缠绕工艺中的固化条件对GRP产品的强度影响很大。环氧—B带：90℃/2h→110℃/2h→135℃±5℃/15—17h聚酯—B带：90℃/2h→110℃/2h→135℃±5四、无纬带的性能特征（三校合编材料P253）3内衬和芯模（见教材）4用标准浅法分析缠绕规律关于缠绕工艺的主要内容是缠绕规律，为了掌握这一点内容，我们着手从下面三个方面进行讨论。①有关缠绕规律的概念②缠绕规律的包括的内容③缠绕规律的分析。一、缠绕规律的概念及分类所谓缠绕规律是指纤维在芯模表面满足一定条件的排布规律。由于GRP压力容器规格，形状、种类很多，决定了缠绕形式千变万化，但缠绕规律可归结为三大类型：环向缠绕、纵向缠绕和螺旋缠绕。（详见P9-20～P9-23）表示容器结构尺寸的名称及符号二、缠绕规律的内容首先我们来看看缠绕规律所需满足的一定条件，也即纤维在模表面应满足的要求。①纤维既不重叠又不离缝，均匀连续缠满芯模表面。②纤维在芯模表面位置稳定不打滑。③根据这一要求，结构形式和规格尺寸不同的容器其芯模表面纤维的排布形式不同。如：圆筒体和圆球体不同长度的圆筒体随即容器的结构和尺寸，确定缠绕规律（纤维在芯模表面的排布规律呈线型）之后，靠什么来实现呢？通过前面三种缠绕规律类型的分析，我们知道：特定的缠绕设备完全是由缠绕设备的丝嘴与芯模的相对运动按特定的规律来实现的。因此，缠绕规律的内容：决定制品的结构、尺寸……。纤维在芯模表面的排布规律（即线型）——丝嘴与芯模相对运动这三者间的关系。研究分析缠绕规律的目的，就是要找出运动者间的定量关系。具体地讲即结构，尺寸因素：线型相对运动因素Lc,D,Xi,Yi,Li,di等n,kα，β，γ，i三、缠绕规律的分析基于缠绕规律的分析，国内主要有两种方式，即“标准线法”和“切点法”。“标准线法”是通过容器表面的某种特征线——标准线来研究分析制品的结构尺寸与丝嘴一芯模相对运动规律。“切点法”则是分析缠绕线型在板孔上对应切点的分布规律，来研究纤维缠绕芯模转角与线型，速比之间的关系。两种方法各有特点，先讲“标准线法”，后讲“切点法”，由于环向缠绕，纵向缠绕的缠绕规律比较简单，且在一定条件下可看作螺旋缠绕的特例，因此下面我们主要介绍“标准线法”和“切点法”分析讨论螺旋缠绕规律。在分析之前，为方便比较，介绍几个专用名词：及容器规格尺寸的名称及符号。①缠绕角α包角β进角γ②标准线③交叉点④交带⑤基准线1.螺旋缠绕时缠绕筒身部分的缠绕角标准线上纤维与轴线的交角即为缠绕角当丝嘴走过两基准线的距离Li时，芯模转过弧长为PB（参数图9-5）其中AP=Li=Lc-2diPB=（将筒身元周等分成几份，当丝嘴由A移到B，走过Li距离时，茼身转过K份，即筒身转过弧长）∴再来研究纤维在筒身段的进角与缠绕角的关系（参照图9-6）如：截面图，为分析问题的简便，设为AB的投影，实长相等。则∴2.螺旋缠绕时封头部分的缠绕角分为两种情况①封头为平面缠绕：（在封头上，缠绕纤维是处于同一平面内）此时，在封头与筒身连接处，封头以纤维与经线的夹角那头缠绕角：②封头为测地线缠绕即缠绕纤维处于封头测地线上，（即曲面上两点间的短程线）并与板孔相切。此时纤维在封头上的缠绕角是不断变化的。详细推导见本节第五部分（P9-37）（R由）3.基准线的位置：纤维缠绕是一个连续过程，在筒身与转头交接处，必然①对于转头为平面缠绕情况：②对于转头为测地成缠绕情况4.标准线在筒身前的进角由标准线在筒身前的进角与筒身前纤维缠绕角的关系∴5.缠绕在转头部的包部包部表面纤维自进入转头到浇口尺寸时芯模的转角，若设，表示按红线上纤维自基准线A浇至茼体与转头交界线B时，芯模的转角。那么，（180°的确定是根据缠绕规律确定原则了）由同∴故6.速比速比的概念：在单位时间内，芯模主轴的转数N与丝嘴往返次数j的比值，即，若在完成一个标准线缠绕时丝嘴往返一次，则芯模转角，对一般情况，完成一个标准线缠绕时，丝嘴往返多次，则芯模转角。芯模主轴转数∴由上述公式可以看出，将芯模转数N与丝嘴往返次数j的比值（速比）相对运动因素，转变成螺旋缠绕中缠绕规律系数。从该公式可知，i值仅取决于n、k法。但在择选缠绕规律的，n、k法不是可任意确定的，而应考虑到头部包角及筒身前进角及缠绕角，容器规格尺寸等因素。那么如何根据容器尺寸、、、等因素确定n、K法。请看下面四、缠绕规律的设计1.缠绕规律的选择要求（确定原则）（共3点，见P9-15）2.缠绕规律的选定步骤（共6点，见P9-35～9-36）5用切点法描述缠绕规律采用切点法描述螺旋缠绕规律的基本思想。一、线型：用切点法描述螺旋缠绕线型时实质就是研究板孔之间上的切点数及其分布规律。1.一个完整循环缠绕的切点数及分布规律几个基本概念：①一个完整循环的概念②切点位置时序相邻和位置相邻的概念③单切点与多切点下面我的研究，在一个完整循环内几种切点类型，各发点位置的排布顺序。单切点n=1图9-11（P9-43）双切点n=2图9-11多切点mn=3、4、5为例图9-12（P9-43）由此可见，不同的线型，其切点数及各切点的排列顺序不同。纤维在芯模表面均匀布满的条件①（P9-44）②这两点是我们将纤维在芯模表面排布规律的研究，转化成对一个完整循环缠绕纤维排布的研究的前提切点法研究的重点仍然是，讨论芯模与丝嘴的相对运动与线型的关系。2.纤维缠绕芯模转角（即缠绕中心角）与线型的关系设：：完成一个美态循环缠绕（即出现与已知切点位置相邻的切点时）芯模的转角。：丝嘴往返一次（即出现与已知切点时序相邻的切点时）芯模的转角。：丝嘴是一个单位，即芯模的转角。则有*的推导：（详见P9-45～9-46）n切点：当≥3时，各切点位置排列顺序与自序并不一致，会出现K种排列方式，均有不同的法。从上述推导可知：纤维螺旋缠绕，之所以能形成各种切点线型（或筒身上的排布规律），都是由于丝嘴往返一次期间芯模转角不同所致。由于各种线型都严格地对应着各自的值。故线型可由表示表9-3是由公式，计算出在各种k、n、N值形状下对应的Qn线型So给出了6切点内线型So所对应的n、K、N、Qn法，便于介质计算。二、转速比1.转速比的定义完成一个完整循环缠绕时，考虑速比微润，实际转速比2.转速比和线型的关系线型和转速比在缠绕规律中是两个完全不同但又筒内在联系的概念，特定的线型是靠一定的转边比来实际的，不同的线型严格对应不同的转速比。因此，我们定义线型在数法上等于转速比，即3.转速比的计算已知，下面采用纱片设计宽度来计算芯模转角的微子增量。如图9-13（P9-48），∴而∵故6线型设计1.稳定缠绕芯模转角的设计所谓线型设计，即对一个具体的制品，如何选定缠绕线型或转速比i，实质上是如何选定芯模转角Qn。根据要求的分析由表9-3知对于不同的n、K、N值对完善不同的Qn，芯模转角Qn有若干个（可见表9-3）尽管它们都满足均匀布满的两个条件，但